Termodinámica: Primer y Segundo Principio, Entropía y Ciclo de Carnot

Primer Principio de la Termodinámica

El primer principio de la termodinámica establece que la energía total de cualquier sistema aislado se conserva. Identifica el calor como una forma de energía. Este principio expresa que el cambio total de energía (∆E) de un sistema cerrado es igual al calor transferido al sistema (Q), menos el trabajo hecho por el sistema (W):

∆E = Q - W

El primer principio impide la existencia de móviles perpetuos de primera especie, es decir, aquellos que se alimentan de la energía que producen ellos mismos.

Para sistemas cerrados, el intercambio de energía sistema-entorno solo puede ocurrir en dos formas: calor y trabajo.

Trabajo

El trabajo tiene dimensiones de energía y representa un intercambio de energía entre un sistema y su entorno. Si un sistema sufre una transformación, provoca cambios en su entorno. Si estos cambios implican el desplazamiento de las fuerzas que ejerce el entorno sobre el sistema, entonces ha habido producción de trabajo. Hay diferentes formas de trabajo realizado. Se denomina expansión si el trabajo es positivo y compresión si es negativo. El trabajo mecánico ocurre cuando una fuerza actúa sobre el sistema y lo mueve a través de una distancia. No es necesario que la fuerza (F) provoque el desplazamiento; debe ser una fuerza externa. El trabajo (W) es negativo cuando se hace sobre el sistema, y positivo cuando es hecho por este.

Gas Perfecto

Un gas perfecto es un gas ideal cuyas moléculas no ocupan volumen propio ni ejercen entre sí fuerzas de cohesión. En la naturaleza no existen gases perfectos; un gas real se parece a uno perfecto cuanto menor sea su presión. Están formados por partículas invisibles, moléculas sin masa ni dimensión.

Segundo Principio de la Termodinámica

El segundo principio de la termodinámica dictamina que, si bien la materia y la energía no se pueden crear ni destruir, sí se transforman, y establece el sentido en el que se produce dicha transformación. Sin embargo, el punto capital del segundo principio es que se refiere única y exclusivamente a estados de equilibrio. No es posible convertir completamente calor en trabajo, pero sí trabajo en calor.

El paso desde un estado A a un estado B solo es posible si S_B ≥ S_A. En el caso de S_B = S_A, es posible pasar de A a B como de B a A, proceso que se denomina reversible.

Entropía

La entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos.

Ciclo de Carnot

Motor

Un motor de Carnot es un dispositivo ideal que describe un ciclo de Carnot. Trabaja entre dos focos, tomando calor Q₁ del foco caliente a la temperatura T₁, produciendo un trabajo W, y cediendo un calor Q₂ al foco frío a la temperatura T₂. En un motor real, el foco caliente está representado por la caldera de vapor que suministra el calor, el sistema cilindro-émbolo produce el trabajo y se cede calor al foco frío, que es la atmósfera.

Frigorífico

La máquina de Carnot también puede funcionar en sentido inverso, denominándose entonces frigorífico. Se extraería calor Q₂ del foco frío aplicando un trabajo W, y cedería Q₁ al foco caliente. En un frigorífico real, el motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que se emplea en extraer un calor del foco frío (la cavidad del frigorífico) y se cede calor al foco caliente, que es la atmósfera.