EJEMPLO DEL RELOJ

Para comprender conceptualmente lo dicho, analicemos el ejemplo de un reloj de arena, que es un sistema cerrado en el que no entra ni sale arena.

La cantidad de arena en el reloj es constante; la arena ni se crea ni se destruye en ese reloj. Esta es la analoga de la primera ley de la termodinmica: no hay creacin ni destruccin de la materia-energa.

Aunque la cantidad de arena en el reloj es constante, su distribucin cualitativa est constantemente cambiando: la cavidad inferior se va llenando, mientras la cavidad superior se vaca. Esta es la analoga de la segunda ley de la termodinmica, en la que la entropa (que es la arena de la cavidad inferior) aumenta constantemente.

La arena de la cavidad superior (la menor entropa) es capaz de hacer un trabajo mientras cae, como el agua en la parte superior de una catarata. La arena en la cavidad inferior (alta entropa) ha agotado su capacidad de realizar un trabajo. El reloj de arena no puede darse la vuelta: la energa gastada no puede reciclarse, a menos que se emplee ms energa en ese reciclaje que la que ser desarrollada por la cantidad reciclada.

EJEMPLO DEL PLATO

Todos hemos visto alguna vez un plato que se cae desde una mesa y se hace aicos contra el suelo. Lo que antes estaba ordenado en una nica pieza de porcelana, se convierte en una multitud de fragmentos desordenados. Pero la situacin contraria, la recomposicin de un plato a partir de sus fragmentos de manera espontnea, al menos que se sepa, no la ha visto nadie.

La ruptura del plato es un suceso natural e irreversible, una secuencia temporal adecuada; su recomposicin, en cambio, no lo es. Es la evolucin natural del orden al desorden o, en trminos cientficos, la natural tendencia del Universo a aumentar su entropa.

PRINCIPIO DEL CAMBIO DE ENTROPA

La entropa generada durante un proceso se denomina generacin de entropa, y se denota por medio de Advierta que la diferencia entre el cambio en la entropa de un sistema cerrado y la transferencia de entropa es igual a la generacin de entropa, la ecuacin (3) puede escribirse como la siguiente igualdad

.(4)

La generacin de entropa () siempre es una cantidad positiva o cero. Su valor depende del proceso y, por ello, no es una propiedad del sistema[footnoteRef:1]. [1: Manrique & Ratsel 2006.Termodinamica. Industria Editorial, Mxico. Segunda Edicin, pp-304.]

..(5)

Esta ecuacin expresa que la entropa de un sistema aislado durante el proceso siempre aumenta a 0, en el caso limite de un proceso reversible, permanece constante. Por tanto, nunca disminuye. Esta es una de las expresiones del principio de incremento de entropa. Observe que en la ausencia de toda transferencia de calor, el cambio de la entropa se debe solo a irreversibilidades, y su efecto siempre es incrementar la entropa.

Se limita a procesos adiabticos de sistemas cerrados y, por tanto, no es de uso general. Sera deseable tener una relacin para el principio del incremento de entropa que sea aplicable tanto a sistemas abiertos como cerrados, as como a sistemas adiabticos y no adiabticos. La relacin se lleva a cabo como sigue:

Un sistema aislado puede constar de cualquier nmero de subsistemas (figura6.4).

Figura 6.4

El cambio de entropa de un sistema aislado es la suma de los cambios de entropa de sus componentes, y nunca es menor que cero.

Por ejemplo, un sistema y sus alrededores, constituyen un sistema aislado, ya que ambos pueden encerrarse con una frontera arbitraria lo suficientemente grande

en la cual no hay calor, trabajo o transferencia de masa (figura6.5)[footnoteRef:2] [2: Manrique & Ratsel 2006.Termodinamica. Industria Editorial, Mxico. Segunda Edicin, pp-304.]

Figura 6.5

Un sistema y sus alrededores forma un sistema aislado.

Un sistema y sus alrededores pueden ser los dos subsistemas de un sistema aislado, y el cambio en la entropa de un sistema aislado durante un proceso es la suma de los cambios de la entropa del sistema y sus alrededores, la cual recibe el nombre de cambio de entropa total ( ) o generacin de entropa () y el principio del incremento de entropa para cualquier proceso se expresa como:

.(6)

La ecuacin 6 es una expresin general para el principio del incremento de entropa y es aplicable tanto a sistemas cerrados (masas de control) como a abiertos (volmenes de control), puesto que cualquier sistema y sus alrededores forman un sistema aislado (figura 6.6)[footnoteRef:3]. [3: Manrique & Ratsel 2006.Termodinamica. Industria Editorial, Mxico. Segunda Edicin, pp-304.]

Figura 6.6

Todas las relaciones desarrolladas para sistemas cerrados son tambin aplicables a una masa fija que fluye por un volumen de control.

Establece que el cambio en la entropa total asociado con un proceso deber ser positivo o cero. La igualdad se cumple para procesos reversibles y la desigualdad para los irreversibles. Advierta que () se refiera al cambio en la entropa de los alrededores como resultados de que suceda el proceso bajo consideracin.

Como ningn proceso real es verdaderamente reversible, es posible concluir que el cambio neto en la entropa para cualquier proceso que se sucede es positivo y que, por tanto, la entropa del universo, el cual puede considerarse como un sistema aislado, est creciendo continuamente. Cuando mas irreversible es un proceso, tanto ms grande resulta la entropa generada durante ese proceso. Ninguna entropa se genera durante procesos reversibles ().

La ecuacin (6) no implica que la entropa de un sistema o de los alrededores no disminuya. El cambio de entropa de un sistema o de sus alrededores puede ser negativo durante un proceso (figura 6.7) pero su suma no[footnoteRef:4]. [4: Manrique & Ratsel 2006.Termodinamica. Industria Editorial, Mxico. Segunda Edicin, pp-305.]

Figura 6.7

El cambio de entropa de un sistema puede ser negativo; pero la suma puede no serlo.

El principio del aumento de entropa puede resumirse como sigue:

Dicha relacin sirve como criterio para determinar si un proceso es reversible, irreversible o imposible

CICLO RANKINE

El ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en las centrales termoelctricas.

Es unciclo termodinmicoque tiene como objetivo la conversin decalorentrabajo, constituyendo lo que se denomina unciclo de potencia.

Analicemos ms despacio las etapas del ciclo:

Imgaen 19.monografias. Copyright

En la transformacin 1-2 aumenta la presin del lquido sin prdidas de calor, por medio de un compresor, con aportacin de un trabajo mecnico externo.

En la transformacin 2-3 se aporta calor al fluido a presin constante en una caldera, con lo que se evapora todo el lquido elevndose la temperatura del vapor al mximo.

La transformacin 3-4 es una expansin adiabtica(SIN TRANSFERENCIA DE CALOR), con lo que el vapor a alta presin realiza un trabajo en la turbina.

La transformacin 4-1consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presin constante en el condensador hasta volver a convertirlo en lquido, y comenzar de nuevo el ciclo.

Para optimizar el aprovechamiento del combustible, se somete al fluido a ciertos procesos, para tratar de incrementar el rea encerrada en el diagrama p-V.

Precalentamiento del agua comprimida 4-5 aprovechando el calor de los gases que salen por la chimenea de la caldera. Con esto no se aumenta el rea del diagrama, pero se reduce el calor que hay que introducir al ciclo.

Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina 5-6 hacindolo pasar por la caldera y despus por otra turbina de baja presin.

.

2

1

1

2

gen

S

T

Q

S

S

+

-

d

.

gen

S

0

.

D

gen

S

total

S

D

.

gen

S

)

/

(

0

..

K

kJ

S

S

S

S

air

sis

total

gen

D

+

D

=

D

=

air

S

D

0

=

gen

S

air

sis

S

S

D

+

D

D

=

imposible

proceso

reversible

proceso

le

irreversib

proceso

S

S

total

gen

0

0

0

.

gen

S