Segundo principio de termodinámica

Signos del calor y del trabajo

Un sistema puede desprender calor en lugar de recibirlo y, un trabajo puede  ser realizado sobre el sistema en lugar de serlo por  el sistema.

Para analizar estas magnitudes se establece para ambas un coherente convenio de signos. Así en una transformación térmica:

– Una cantidad de calor es considerada positiva cuando es absorbida por el sistema y negativa cuando es cedida por el mismo.

– Un trabajo se considera positivo cuando es realizado por el sistema y negativo cuando es realizado sobre el mismo.

Ejemplo:

Cuando se comprime aire en el interior de una bomba de bicicleta, tapando con el dedo el orificio de salida, se produce, a costa del trabajo mecánico efectuado, calor, que absorbe la atmósfera.

En este caso:

– El calor es negativo, ya que es cedido por el sistema.

– El trabajo mecánico también es negativo, ya que ha sido realizado sobre el sistema y su signo se establece mediante un criterio geométrico, en lugar de energético.

En efecto, puesto que la realización de un trabajo exige forzosamente un desplazamiento y, como consecuencia, un cambio de volumen, cuando un gas se expande, está realizando una fuerza sobre el medio exterior; por consiguiente el trabajo es realizado por el gas (es positivo). Por el contrario, cuando el gas se comprime, son las fuerzas exteriores las que ejercen una acción sobre aquél, lo que supone que el trabajo se realiza sobre el sistema, y es negativo.

Esto quiere decir que:

“En una transformación termodinámica, el trabajo es positivo cuando el gas se expande; y es negativo, en caso contrario”.

Desarrollo del segundo principio de la termodinámica

El principio de la conservación dice que, en general, la energía de un sistema aislado es la misma en los estados inicial A y final B, pero  no hace distinción alguna entre dichos estados y considera igualmente posible que el sistema pase del estado A al B como que, desde el estado B recobre el estado A.

Las transformaciones posibles en los cuerpos que nos rodean corresponden a un sentido de evolución bien determinado, sin que se observe jamás que, espontáneamente, se realicen en sentido opuesto.

El segundo principio de la termodinámica afirma que:

“Es posible construir una máquina de funcionamiento cíclico que produzca trabajo intercambiando calor con un solo manantial”

No existe ninguna máquina térmica que transformé íntegramente en trabajo el calor absorbido, esto se debe a que toda máquina térmica precisa para su funcionamiento de un foco caliente, de donde toma calor, y un foco frío, donde devuelve una cantidad del mismo, lógicamente menor  de la que ha tomado, siendo imposible la existencia de una máquina térmica que tome calor del foco caliente y lo convierta íntegramente en trabajo, sin devolver nada en el foco frío.

Rendimiento de una máquina térmica

Si una máquina térmica toma  calorías del foco caliente y de vuelve  en el frío , la cantidad de calor  se ha transformado en trabajo es:

El rendimiento h de la máquina, que es la razón entre el trabajo útil efectuado y la energía total absorbida, es:

Esta fórmula que representa el segundo principio de la termodinámica, enuncia que es imposible la existencia de un ciclo en el que el rendimiento sea la unidad, considerando que:

Resulta claro que, para h=1, es necesario que , lo que no es posible, una que supone la inexistencia del foco frío.