En 1824 el ingeniero francés Sadi
Carnot estudió la eficiencia de las diferentes máquinas térmicas que trabajan
transfiriendo calor de una fuente de calor a otra y concluyó que las más
eficientes son las que funcionan de manera reversible. Para ello diseñó una
máquina térmica totalmente reversible que funciona entre dos fuentes de calor
de temperaturas fijas. Esta máquina se conoce como la máquina de Carnot y su
funcionamiento se llama el ciclo de Carnot.
En principio, cualquier ciclo
termodinámico se puede utilizar para diseñar una máquina o un refrigerador,
según el sentido en el que se recorra el ciclo. Puesto que, según el enunciado
del Segundo Principio ninguna máquina puede tener rendimiento 100%, es
importante saber cuál es el máximo rendimiento posible entre dos focos
determinados.
El
ciclo de Carnot proporciona ese límite superior entre dos focos. Este ciclo es
una idealización ya que está constituido por transformaciones reversibles:
utiliza un gas perfecto, dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas.
En
una máquina el ciclo se recorre en sentido horario para que el gas produzca
trabajo.
*Expansión isoterma (1-2): al gas
absorbe una cantidad de calor Q1 manteniéndose a la temperatura del foco
caliente T1.
*Expansión adiabática (2-3): el gas
se enfría sin pérdida de calor hasta la temperatura del foco frío T2.
*Compresión isoterma (3-4): el gas
cede el calor Q2 al foco frío, sin variar de temperatura.
*Compresión adiabática (4-1): el gas
se calienta hasta la temperatura del foco caliente T1, cerrando el ciclo.
Para calcular el rendimiento de un
ciclo de Carnot se emplea:
Se puede
considerar que la transmisión de calor es proporcional a las temperaturas de
ambos focos sin que se cometa un error apreciable por lo
que se puede escribir:
Y por lo tanto se puede expresar el
rendimiento como:
Maquina de vapor
Una máquina de vapor es un motor de
combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en
energía mecánica.
James Watt fue un ingeniero mecánico e inventor
escocés. Las mejoras que realizó en la máquina de Newcomen dieron lugar a la conocida, como máquina de vapor de agua, que
resultaría fundamental en el desarrollo de la primera Revolución Industrial,
tanto en Inglaterra como en el resto del mundo.
El
motor o máquina de vapor se utilizó extensamente durante la Revolución
Industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y
aparatos tan diversos como bombas, locomotoras, motores marinos, etc. Las
modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no
son ya de émbolo o desplazamiento positivo,
sino que son turbomáquinas.
En la máquina de vapor se basa la
Primera Revolución Industrial que, desde fines del siglo XVIII en Inglaterra y
hasta casi mediados del siglo XIX, aceleró portentosamente el desarrollo
económico de muchos de los principales países de la Europa Occidental y de los
Estados Unidos.
Entropía y Desorden
Entropía
La entropía
(simbolizada como S) es una magnitud física que, mediante cálculo, permite
determinar 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.
Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la
desarrolló durante la década de 1850;
y Ludwig Boltzmann, quien encontró en 1877 la manera
de expresar matemáticamente este concepto, desde el punto de vista de la
probabilidad.
¿Por qué
ocurren los sucesos en la Naturaleza de una manera determinada y no de otra
manera?
Por ejemplo,
si se ponen en contacto dos trozos de metal con distinta temperatura, se
anticipa que finalmente el trozo caliente se enfriará, y el trozo frío se
calentará, finalizando en equilibrio térmico. El proceso inverso, el
calentamiento del trozo caliente y el enfriamiento del trozo frío es muy
improbable que se presente, a pesar de conservar la energía. El universo tiende
a distribuir la energía uniformemente; es decir, a maximizar la entropía.
Desorden
En sistemas físicos compuestos por
una gran cantidad de objetos, la naturaleza parece favorecer el desorden frente
al orden.
Es decir, si tenemos inicialmente
unos cuantos objetos ordenados de determinada forma, y se aísla el sistema de
influencias externas, éste sistema tiende a desordenarse a medida que el tiempo
pasa.
Por ejemplo, una caja con dos compartimentos que contiene un gas caliente a un lado y otro frío al otro lado:
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