Dirección de los Procesos Termodinámicos.
El desarrollo de la Termodinámica y más en concreto del Segundo Principio vino motivado por la necesidad de aumentar la cantidad de trabajo producido para una determinada cantidad de calor absorbido. Definición de termodinámica: Rama de la física que estudia la relación entre el calor y las demás variedades de energía. Se encarga de analizar los efectos que poseen las modificaciones de temperatura, presión, densidad, masa y volumen en cada uno de los sistemas. Los procesos termodinámicos comprenden el comportamiento y relación que se da entre las temperaturas, presión y el volumen es importante en diversos procesos. Primera Ley de la Termodinámica: Nos dice que “La variación en la energía interna de un sistema es igual a la energía transferida a los alrededores o por ellos en forma de calor y de trabajo, por lo que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.
De la Primera Ley de la Termodinámica:
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Proceso Isotérmico: Es el cambio de temperatura reversible en un sistema termodinámico, dicho cambio de temperatura es constante en todo el sistema. La energía interna depende de la temperatura. En un proceso isotérmico el calor entregado al sistema es igual al trabajo realizado por el sistema hacia los alrededores.
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Proceso Isobárico: Ocurre a presión constante; las variables que cambian son el volumen y la energía interna. Si el volumen final es mayor que el inicial (expansión) el trabajo es negativo y si es menor (compresión) es positivo.
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Proceso Isocórico: El volumen permanece constante, lo que implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen.
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Proceso Adiabático: No se transfiere calor hacia el interior ni hacia el exterior del sistema. Durante la expansión, el gas efectúa trabajo positivo a expensas de su energía interna. En el proceso, cambian la presión, el volumen y la temperatura.
Segunda Ley de la Termodinámica: Señala que “Existe un límite en la cantidad de trabajo, el cual es posible obtener a partir de un sistema caliente”. La mayoría de los procesos termodinámicos se efectúa en una dirección pero no en la opuesta. En la dirección inversa existen dispositivos que convierten calor parcialmente en energía mecánica.
De la Segunda Ley de la Termodinámica:
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Proceso Cuasi estático:
Es un proceso que tiene lugar de forma infinitamente lenta. Generalmente este hecho implica que el sistema pasa por sucesivos estados de equilibrio, en cuyo caso la transformación es también reversible.
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Proceso Reversible:
Son procesos en equilibrio, con el sistema siempre en equilibrio termodinámico. Un proceso es reversible si su dirección puede invertirse en cualquier punto mediante un cambio mínimo en las condiciones externas.
Se consideran ideales porque requieren de tiempo infinito, no obstante, los procesos reales en la naturaleza ocurren en tiempos finitos. Los procesos reversibles son una abstracción de la realidad. Una transformación reversible se realiza mediante una sucesión de estados de equilibrio del sistema con su entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino. En la realidad, las transformaciones reversibles no existen, ya que no es posible eliminar por completo efectos disipativos, como la fricción, que produzcan calor o efectos que tiendan a perturbar el equilibrio, como la conducción de calor por diferencias de temperatura. Por lo tanto no debe sorprender que los procesos en la naturaleza sean irreversibles.
El concepto de proceso reversible es de especial importancia para establecer el límite teórico de la eficiencia de las máquinas térmicas. Características:
∞ La variación de entropía total es nula. ∞ Todos los pasos intermedios están definidos. ∞ Ocurren de una manera pausada. ∞ Pueden ser las más eficientes. ∞ No existen en nuestro universo, pero marcan un límite que es útil conocer.
Una característica importante de un proceso reversible es que, dependiendo del proceso, este representa el trabajo máximo que se puede extraer al ir de un estado a otro, o bien el trabajo mínimo que es necesario para crear un cambio de estado.
Ejemplos de Procesos Reversibles:
Fundir el hielo y luego volver a congelarlo.
Evaporar el agua y volver a condensarla.
Un objeto que se lanza hacia arriba vuelve a bajar.
Cuando atamos cordones, si no alteramos sus propiedades, podremos regresarlos a su estado original.
Movimiento sin fricción.
Expansión o comprensión controlada de un gas.
Deformación elástica de un sólido.
Descarga controlada de una batería.
Efectos de magnetización y polarización que ocurren muy lentamente.
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Proceso Irreversible:
Un proceso es irreversible si el sistema y sus alrededores no pueden regresar a su estado inicial. Ocurren espontáneamente en una dirección determinada con cambios drásticos del sistema y su entorno, lo que hace posible la reversibilidad. Todos los procesos conocidos del universo son irreversibles. Aquellos procesos están ligados a la entropía, de tal modo que si se afirmara que un proceso es reversible, se entendería que el proceso viola la Segunda Ley de la Termodinámica. El fenómeno de la irreversibilidad resulta del hecho de que si un sistema termodinámico de moléculas interactivas es trasladado de un estado termodinámico a otro, ello dará como resultado que la configuración o distribución de átomos y moléculas en el seno de dicho sistema variará.
Ejemplos de Procesos Irreversibles:
Agitación irregular de un líquido viscoso aislado térmicamente.
Histéresis magnética de un material aislado térmicamente.
El ser humano cuando muere no puede volver a la vida.
Los alimentos una vez convertidos en excremento no pueden volver a ser alimentos.
Cuando envejecemos no podemos volver a ser jóvenes.
La mezcla de tierra, arena, agua y cemento produce concreto, pero los demás elementos no volverán a su estado general.
Cuando quemamos un papel, este no vuelve a ser papel, sino cenizas.
Un huevo al romperse no se podrán unir todas sus elementos para que el huevo vuelva a su estado original.
Descomposición radioactiva.
Desorden y Procesos Termodinámicos.
Existe una relación entre la dirección de un proceso y el desorden del estado resultante. La energía cinética macroscópica es energía asociada a movimientos organizados y coordinados de muchas moléculas; en tanto que la transferencia de calor implica cambios de energía en un movimiento molecular desordenado. La conversión de energía mecánica en calor implica un aumento del desorden. Relacionado a la Teoría del Caos y Desorden en la Segunda Ley de la Termodinámica se puede interpretar el origen del universo, ya que expone los diferentes cambios energéticos que ha tenido y tendrá en un futuro. Predice que dentro de billones de años se producirá lo que es muerte térmica del Universo, (cuando la entropía sea máxima en el universo) explicándose como el suceso que se dará cuando toda la energía del universo se reduzca a la de las moléculas en movimiento y toda la materia tenga la misma temperatura la cual se reducirá en forma de calor. Al no existir diferencias entre temperatura, no será posible el intercambio de calor entre los cuerpos y los seres vivos se extinguirán. Se aplica a la segunda ley de la termodinámica, la cual dice que los sistemas aislados tienden al desorden, osea, las cosas tienden al caos a medida que pasa el tiempo. La entropía es nula cuando la certeza es absoluta, y alcanzará un máximo cuando el sistema se acerca al equilibrio. No basta con que se conserve la energía y cumplan así el primer principio. Una máquina que realizara trabajo violando el segundo principio se denomina "móvil perpetuo de segunda especie", ya que podría obtener energía continuamente de un entorno frío para realizar trabajo en un entorno caliente sin coste alguno.
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Desorden:
En un sistema aislado y a volumen constante se dará de manera espontánea aquel proceso en el que se produzca un aumento de la entropía, esto es, aquel proceso en el que aumente el desorden. Es por este motivo que existen reacciones endotérmicas que son espontáneas; reacciones que por criterios energéticos pareciera que no deben producirse
espontáneamente y que, sin embargo, sí ocurren de este modo, porque en el transcurso de las mismas la entropía aumenta considerablemente. Un sistema desordenado es más probable que uno ordenado porque tiene más estados microscópicos disponibles. La entropía tiene una tendencia natural a aumentar dado que corresponde al cambio de condiciones de baja probabilidad a estados de probabilidad mayor.
Máquinas Térmicas.
Existen casos en que la energía mecánica se encuentra disponible directamente, sin embargo, casi toda nuestra energía proviene de quemar combustibles fósiles y de reacciones nucleares. La energía se transfiere como calor, el cual, es útil para calentar edificios, cocinar y realizar reacciones químicas, no obstante, necesitamos de la energía mecánica. Una máquina térmica puede definirse como un aparato que opera en un ciclo termodinámico y ejecuta una cierta cantidad de trabajo como resultado de la transmisión de calor de un cuerpo de temperatura alta a uno de temperatura baja. Es un dispositivo que realiza un trabajo mediante un proceso de paso de energía desde un foco caliente hasta un foco frio. Las máquinas térmicas o motores térmicos aprovechan una fuente de energía para realizar un trabajo mecánico. La energía transferida como calor a la máquina no puede a su vez ser transferida íntegramente por esta como trabajo: Una parte de la energía debe ser transferida como calor, por ello las máquinas térmicas constan de dos partes: -
Un foco caliente, que cede energía a la máquina mediante calor.
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Un foco frío, que recibe energía de le máquina también mediante calor
Independientemente del tipo de maquina térmica de que se trate, su funcionamiento básico consiste en la dilatación de un gas caliente, el cual al realizar un trabajo se enfría; ya que son aparatos que se utilizan para transformar la energía calorífica en trabajo mecánico existen tres tipos:
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Máquinas de vapor.
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Motor de combustión interna.
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Motor de reacción.
Máquinas de vapor:
Fue la máquina térmica más utilizada hasta el siglo XX. La energía obtenida al quemar el combustible (gas, petróleo, carbón...) se emplea en calentar agua hasta convertirla en vapor. Este vapor desplazaba el émbolo, realizando así un trabajo. Se utilizaban mucho en las locomotoras de vapor para el ferrocarril, pero en la actualidad ya no se usan tanto. Cuando el agua se transforma en vapor, se expando ocupando un volumen de 1700 veces mayor que en su estado líquido. Las máquinas de vapor emplean una enorme cantidad de energía producida por esta expansión para generar un trabajo. Una máquina de vapor es de combustión externa si el combustible se quema fuera de ella, calentando la caldera productora del vapor que la alimenta. -
Turbinas de vapor: Las turbinas de vapor expulsan un chorro de vapor, calentando con la energía generada en la quema de un combustible, incide sobre las paletas de la rueda giratoria de la turbina realizando un trabajo mecánico de rotación. Son utilizas en las centrales termoeléctricas para mover los generadores eléctricos y en los barcos para accionar las hélices.
Motor de combustión interna:
Los motores de combustión interna o de explosión se llaman así porque el combustible se quema dentro del motor donde realiza su función. Estos motores aprovechan la expansión de los gases producidos por la combustión viva de una mezcla carburante en la cámara de combustión del cilindro. Los gases empujan un émbolo y debido a la utilización de una biela el movimiento de éste se transforma en movimiento giratorio del cigüeñal. Se utilizan en los automóviles. Aprovechan la energía generada en la combustión por una mezcla de aire con gasolina para mover un pistón. El trabajo mecánico del movimiento del pistón de aprovecha para el desplazamiento del vehículo Existen motores de combustión de cuatro y de dos tiempos. -
Motor de cuatro tiempos:
1. Admisión: El émbolo se mueve hacia abajo, absorbiendo una mezcla de
combustible y aire que procede del carburador. 2. Compresión: El émbolo se desplaza hacia la parte alta del cilindro. La válvula de
admisión de ha cerrado, y la mezcla de aire y combustible ya no puede escapar. Al subir el émbolo, la mezcla carburante lo comprime fuertemente en la cámara de combustión, lo cual se denomina índice de compresión. 3. Explosión: La chispa eléctrica que salta entre los electrodos de la bujía se encarga
de encender e inflamar la mezcla, produciéndose así una violenta dilatación de los gases encargados de empujar el embolo hacia abajo, y al arrastrar el cigüeñal realiza trabajo mecánico. 4. El émbolo se eleva de nuevo en el interior del cilindro, abriéndose la válvula de
escape, la cual se encuentra en la parte alta de éste. El movimiento de elevación del émbolo expulsa los gases quemados por medio de la lumbrera de escape. Cuando llega el final de la carrera, la válvula se cierra y el motor inicia nuevamente su ciclo. La apertura de las válvulas de admisión y de escape, así como la producción de la chispa en la cámara de combustión se obtienen a través de mecanismos sincronizas con el cigüeñal.
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Motor de dos tiempos:
Estos generan una potencia cada vez que el émbolo baja, lo que se logra al combinar el escape, la admisión y la compresión en un solo tiempo. No tienen válvulas de admisión ni de escape, sino lumbreras abiertas a los lados del cilindro, las cuales son tapadas y destapadas por el émbolo en su desplazamiento hacia arriba y hacia abajo. Los motores Diesel se caracterizan porque no tienen sistema de encendido ni carburador. Los gases en su expansión empujan al émbolo, mismo que realizará un trabajo mecánico.
Motor de reacción:
También llamado turbina de gas. Los motores de reacción se basan en el principio de la acción y reacción. Se utilizan en la aviación para conseguir velocidad. Existen dos tipos principales de motores a reacción: los turborreactores y los cohetes.
Los turborreactores constan de un generador de gases muy calientes y de una tobera que los expele hacia atrás en forma de chorro, así impulsa al motor y al móvil en el cual se encuentra instalado hacia adelante. El motor de cohete no necesita del aire atmosférico para funcionar, pues contiene en su interior las sustancias químicas para la combustión. Los gases calientes producidos en la cámara de combustión son expelidos con gran fuerza hacia atrás, de esta manera impulsan a la nave hacia adelante. •
La energía maremotérmica, también conocida como Conversión de Energía Térmica-Oceánica (C.E.T.O), es un tipo de energía renovable que tiene su principio de funcionamiento en la diferencia de temperaturas entre las aguas profundas, más frías, y las cercanas a la superficie, más cálidas, para mover una máquina térmica y producir trabajo útil, generalmente en forma de electricidad. Una ventaja respecto a otras energías renovables es su funcionamiento 24 horas al día, sin dependencia de condiciones eólicas o solares.
Fuentes Frías y Calientes.
Todas las maquinas térmicas absorben calor de una fuente a temperatura alta, realizan un trabajo mecánico y desechan o rechazan algo de calor a una temperatura más baja. Respecto a la máquina, es calor desechado se desperdicia. En los motores de combustión interna, éste es el calor que se elimina en los gases de escape y en el sistema de enfriamiento; en una turbina de vapor, es el calor que debe salir del vapor usado para condensar y reciclar el agua. Si un sistema pasa por un proceso cíclico, sus energías internas inicial y final son la misma. Para todo proceso cíclico, la primera ley de la termodinámica exige que: “El calor neto que fluye hacia la máquina en un proceso cíclico es igual al trabajo neto realizado por la máquina”. -Fuente Caliente: Proporciona calor, puede dar a la sustancia de trabajo grandes cantidades de calor a temperatura constante sin cambiar notablemente su propia temperatura. -Fuente Fría: Puede absorber grandes cantidades de calor desechado por la máquina a una temperatura constante menor.
Una cantidad de calor es positiva cuando se transfiere a la sustancia de trabajo, y negativa si sale de dicha sustancia. Así, en una máquina térmica, la fuente caliente es positiva peor la fuente fría negativa, pues representa el calor que sale de la sustancia de trabajo.
Diagrama de flujo de energía para la máquina térmica y eficiencia de la misma.
El calor caliente suministrado a la máquina por la fuente caliente es proporcional a la anchura de la tubería de entrada en la parte superior del diagrama. La anchura de la tubería de salida inferior es proporcional a la magnitud en el escape. La intersección de la derecha representa la porción de calor que se ha suministrado y que la máquina convierte en trabajo mecánico.
Depósito Caliente. Calor Caliente Máquina. Trabajo Neto de la Máquina.
Calor Frío
Depósito Frío.
Ciclo Otto.
El ciclo Otto es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores de combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. El ciclo consta de cuatro procesos: 1-2: Compresión adiabática. 2-3: Ignición, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil. 3-4: Expansión adiabática o parte del ciclo que entrega trabajo 4-1: Escape, cesión del calor residual al medio ambiente a volumen constante. Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este, junto con el motor diésel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos. Ciclo de dos tiempos. •
Admisión – Compresión: Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior) empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando una diferencia de presión que aspira la mezcla de aire y gasolina por la lumbrera de admisión. Cuando el pistón tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido el pistón la comprime.
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Expansión - Escape de Gases: Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la mezcla está comprimida, se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la bujía, liberando energía y alcanzando altas presiones y temperaturas en el cilindro. El pistón se desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. Al estar a altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio.
Ciclo de cuatro tiempos.
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Primera Fase: El pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro.
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Segunda Fase: Las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla.
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Tercera Fase: Se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón . Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón. La trasmite a la barra, y la barra la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización.
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Cuarta Fase: Se abre la válvula de escape y el pistón se mueve, expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo.
Eficiencia del Ciclo Otto.
El rendimiento de este motor es inferior respecto al motor de 4 tiempos, ya que tiene un rendimiento volumétrico menor y el escape de gases es menos eficaz. También son más contaminantes. Por otro lado, suelen dar más potencia para la misma cilindrada, ya que este
hace una explosión en cada revolución, mientras el motor de 4 tiempos hace una explosión por cada 2 revoluciones, y cuenta con más partes móviles. Éste tipo de motores se utilizan mayoritariamente en motores de poca cilindrada (motocicletas, cortacésped, motosierras, etc.), pues para las fábricas es más barato y sencillo de construir. La eficiencia térmica de los ciclos Otto depende directamente de la relación de compresión (volumétrica) del combustible en el sistema pistón-cilindro. Esta relación de compresión está limitada hasta valores del orden de 10 debido al problema de autoencendido del combustible, que ocasiona ondas de presión elevadas (o pistoneo). Un motor de gasolina que funciona según este ciclo tiene una eficiencia térmica máxima teoríca que depende de la razón de compresión y de la razón de capacidades caloríficas de la sustancia de trabajo.
Ciclo de Carnot
Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas. Este ciclo es una idealización ya que está constituido por transformaciones reversibles: el intercambio de calor de la sustancia de trabajo con los focos se produce a través de isotermas y las variaciones de temperatura de forma adiabática, para que no haya pérdidas de calor. Mientras que la segunda ley de la termodinámica dice que no todo el calor suministrado a un motor térmico, se puede usar para producir trabajo, la eficiencia de Carnot establece el valor límite de la fracción de calor que se puede usar. El teorema de Carnot es un efecto de que todas las transformaciones son reversibles, por lo que de manera intuitiva se deduce que ninguna máquina podrá funcionar mejor, es decir, tendrá mayor rendimiento. Establece que el rendimiento de una máquina térmica es siempre menor o igual que el de una máquina térmica reversible que funcione entre las mismas temperaturas.. Teorema de Carnot: Ninguna máquina térmica real opera entre dos depósitos de calor, puede ser más eficiente que una máquina térmica operando bajo el ciclo de Carnot entre los mismo depósitos. El flujo de calor a través de una diferencia de temperatura finita es un proceso irreversible. Por lo tanto, durante la transferencia de calor en el ciclo de Carnot, no debe haber una diferencia de temperatura finita
Pasos del Clico de Carnot
Para que el ciclo sea recomendable, todo el calor que ha sido absorbido deberá tomarse a la temperatura máxima, y todo el calor que se ha desechado o rechazado, deberá cederse a la temperatura mínima. El ciclo de Carnot consta de los siguientes procesos:
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Expansión isoterma (1-2): Al gas absorbe una cantidad de calor manteniéndose a la temperatura del foco caliente. Se extrae trabajo del sistema, lo que provocaría un enfriamiento a una temperatura ligeramente inferior, que es compensado por la entrada de calor desde el baño térmico.
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Expansión adiabática (2-3): El gas se enfría sin pérdida de calor hasta la temperatura del foco frío. Se está realizando un trabajo adicional, que ya no es compensado por la entrada de calor del exterior. El resultado es un enfriamiento según una curva.
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Compresión isoterma (3-4): Al comprimirlo el gas tiende a calentarse ligeramente por encima de la temperatura ambiente, pero la permeabilidad de las paredes permite evacuar calor al exterior, de forma que la temperatura permanece constante. En otras palabras, es gas cede el calor al foco frío, sin variar de temperatura.
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Compresión adiabática (4-1): El gas se vuelve a aislar térmicamente y la temperatura sube como consecuencia del trabajo realizado sobre el gas, que se emplea en aumentar su energía interna. El gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente, cerrando el ciclo.
Un ciclo de Carnot que emplea como sustancia de trabajo un gas ideal en un cilindro como pistón consta de los siguientes pasos: 1. El gas se expande isotérmicamente a temperatura “TH” absorbiendo calor “QH”. 2. El gas se expande adiabáticamente hasta que su temperatura baja a “TC”. 3. El gas se comprime isotérmicamente a “TC”, expulsando calor “QC”. 4. El gas se comprime adiabáticamente hasta su estado inicial a temperatura “TH”.
Eficiencia del Ciclo de Carnot.
Con el fin de acercarse a la eficiencia de Carnot, los procesos que intervienen en el ciclo del motor de calor deben ser reversibles y no implican cambios en la entropía. Esto significa que el ciclo de Carnot es una idealización, ya que no hay procesos de motores reales que sean reversibles y todos los procesos físicos reales implican un cierto aumento de la entropía. Para conseguir la máxima eficiencia la máquina térmica que estamos diseñando debe tomar calor de un foco caliente, cuya temperatura es como máximo y verter el calor de desecho en el foco frío, situado como mínimo a una temperatura. La eficiencia se da elevando la temperatura del foco caliente o reduciendo la del frío. Puesto que ni la primera puede hacerse infinita ni la segunda nula (gracias al tercer principio de la termodinámica), un rendimiento del 100% nunca es posible. Vemos que el ciclo de Carnot es mucho más eficiente que el ciclo Otto, cuyo rendimiento es un 70% del de Carnot. Este ciclo sigue que todas las máquinas de Carnot que operan entre las mismas dos temperaturas tienen la misma eficiencia, sea cual fuere la naturaleza de la sustancia de trabajo.
Entropía.
La palabra entropía fue utilizada por Clausius en 1850 para calificar el grado de desorden de un sistema. Por tanto la segunda ley de la termodinámica está diciendo que los sistemas aislados tienden al desorden, a la entropía. La entropía puede considerarse como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también puede considerarse como una medida del desorden del sistema. Entropía: Es una función del estado del sistema, ya que tiene un valor único para cada estado, independiente de cómo el sistema llego a dicho estado, es decir, es el grado de desorden que posee un sistema.
Características de la Entropía:
∞ La entropía se define solamente para estados de equilibrio. ∞ Solamente pueden calcularse variaciones de entropía. Por conveniencia se considera
nula la entropía de una sustancia en algún estado de referencia conveniente. ∞ La entropía de un sistema en estado se equilibrio es únicamente función del estado
del sistema, y es independiente de su historia pasada. ∞ Puede calcularse como una función de las variables termodinámicas del sistema,
tales como la presión y la temperatura o la presión y el volumen. ∞ La entropía en un sistema aislado aumenta cuando el sistema experimenta un
cambio irreversible.
Es importante señalar que la entropía no está definida como una cantidad absoluta “S” (símbolo de la entropía), sino lo que se puede medir es la diferencia entre la entropía inicial de un sistema y la entropía final del mismo. No tiene sentido hablar de entropía sino en términos de un cambio en las condiciones de un sistema. La entropía sirve como medida del grado de restricción o como medida del desorden de un sistema, o bien en ingeniería, como concepto auxiliar en los problemas del rendimiento energético de las máquinas, es una de las variables termodinámicas más importantes. Su relación con la teoría del caos le abre un nuevo campo de estudio e investigación a este concepto. La entropía está relacionada con la aleatoriedad del movimiento molecular (energía térmica), por esto, la entropía de un sistema no se empequeñece si no hay cierta interacción externa. Ocurre que la única manea que el hombre conoce de reducir la energía térmica es transferirla en forma de calor a otro cuerpo, aumentando así la energía térmica del segundo cuerpo y por ende su entropía.
Entropía y Desorden.
La entropía es una medida cuantitativa del desorden. Una temperatura más alta implica mayor aleatoriedad de movimiento. Si la sustancia está inicialmente fría, con poco movimiento molecular, la adición de calor causa un aumento fraccionario considerablemente en el movimiento y la aleatoriedad molecular. Pero si la sustancia ya
está caliente, la misma cantidad de calor aumenta relativamente poco el mayor movimiento molecular ya existe. El segundo principio de la termodinámica nos enfrenta al problema de la entropía, es decir, la medida del orden y el desorden en un sistema físico dado en el Universo. Nos dice este segundo principio que, suponiendo estados iniciales y finales de equilibrio, los sistemas físicos saltan de un estado con un determinado nivel de orden a un estado menos ordenado. La entropía se encarga de la medida del orden y el desorden en un sistema físico dado en el Universo. Nos dice este segundo principio que, los sistemas físicos saltan de un estado con un determinado nivel de orden a un estado menos ordenado. La tendencia de los sistemas de forma natural al aumento de la entropía es un principio ontológico y se funda en la experiencia; se nos hace presente como una ley que prescribe el carácter irreversible de determinados procesos. Todos los procesos reales son irreversibles. Se producen a una velocidad con diferencias finitas de temperatura y de presionen entre los diferentes partes de un sistema o entre un sistema y el medio ambiente. Se introducen los conceptos de energía, cantidad de movimiento y otros porque se conservan. La entropía no se conserva, sin embargo, excepto en los procesos reversibles y esta propiedad no familiar, o falta de propiedad de la función entropía, es una razón del por qué existe cierto misterio sobre el concepto de entropía.
Refrigeradores.
Para poder funcionar se lleva a cabo un proceso cíclico en el cual el refrigerante cambia de temperatura, presión y fase de vapor a líquido y viceversa. El cambio de fase es el momento de mayor requerimiento y expulsión de energía térmica -calor latente-, el cual debe tomar de sus alrededores los cuales son los objetos que nosotros colocamos en el interior del refrigerador. Los primeros refrigerantes utilizados por sus propiedades térmicas fueron los clorofluorocarbonos, CFC, sustituidos posteriormente por otros compuestos al comprobarse su relación con la destrucción del ozono en la atmósfera, perjudicando al medio. En síntesis, un refrigerador es un aparato que opera en un ciclo que requiere trabajo para transmitir calor de un cuerpo de temperatura baja a un cuerpo de temperatura alta En un refrigerador se obtiene un enfriamiento constante por medio de la circunstancia de un refrigerante en un circuito cerrado, el cual se evapora y luego se condensa repitiéndose este ciclo. El sistema mecánico que se utiliza en los refrigeradores domésticos y en muchos de los aparatos de aire acondicionado es el sistema de compresión.
Un refrigerador es también una maquina térmica, pero su funcionamiento presenta una característica especial, ya que utiliza el trabajo de un motor para transferir calor de una fuente fría a una caliente, osea, para mantener el enfriamiento requiere de un suministro continuo de energía y un proceso para disipar el calor. La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de realización. Los sistemas de compresión utilizan cuatro elementos en el ciclo continuo de refrigeración, son: 1. Evaporador. 2. Compresor. 3. Condensador 4. Válvula de expansión.
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Evaporador: El refrigerante a baja temperatura y presión pasa por el evaporador, que también es un intercambiador de calor, y absorbe el calor del recinto donde está situado. El refrigerante líquido que entra al evaporador se transforma en gas al absorber el calor del recinto.
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Compresor: Suministra energía al sistema. El refrigerante llega en estado gaseoso al compresor y es aquí donde aumenta su presión.
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Condensador: Es un intercambiador de calor, disipa el calor absorbido en el evaporador (en el ciclo inmediato anterior) y la energía del compresor. En el condensador el refrigerante cambia de fase pasando de gas a líquido.
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Válvula de expansión: El refrigerante líquido entra en la zona de expansión donde reduce su presión. Al reducirse su presión reduce bruscamente su temperatura.