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La tercera ley de la termodinámica

Publicado 28 May 2013 – 03:41 AM EDT | Actualizado 2 Abr 2018 – 09:15 AM EDT
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Seguimos en este recorrido por las leyes de la termodinámica. Ya hemos visto la ley cero, la primera y la segunda ley. Ahora continuamos hacia la tercera ley. ¿Qué es lo que dice la tercera ley de la termodinámica? ¿De qué nos sirve conocerla y aplicarla? Lo veremos a continuación.

Esta ley establece que es imposible conseguir el cero absoluto de la temperatura (0 grados Kelvin), cuyo valor es igual  a - 273.15°C. Alcanzar el cero absoluto de la temperatura también seria una violación a la segunda ley de la termodinámica, puesto que esta expresa que en toda máquina térmica cíclica de calor, durante el proceso, siempre tienen lugar  pérdidas de energía calorífica, afectando asi su eficiencia, la cual nunca podrá llegar al 100% de su efectividad. 

La eficiencia y la máxima eficiencia

Las predicciones de la segunda ley son igualmente aplicables a la fricción que toda máquina sufre, interna o externamente, ya sea el motor de un automóvil, una locomotora y los rieles por el que se desplaza, un avión, un cohete, el flujo de vapor en el interior de una tubería, etc.

Estas pérdidas de energía, también reducen la eficiencia.  

Los diseñadores de maquinaria compiten por crear sus dispositivos o máquinas con la mayor eficiencia posible, pero como las pérdidas de energía por fricción y calor son inevitables aparece la pregunta: ¿cuál será la máxima eficiencia que se puede alcanzar?

Ciclo reversible: un ciclo ideal

¿Existiría una máquina capaz de no perder energía por fricción y además alcanzar ese cero absoluto? Hay una teoría que proporciona un límite teórico para la eficiencia que es ideal y menor al 100%, llamado así por el ingeniero Nicolás Leonard Sadi Carnot, quien consideró que el ciclo más eficiente, para una máquina térmica, sería un ciclo ideal reversible.

En este ciclo una maquina térmica recibe calor de un depósito de alta temperatura y lo expulsa hacia un depósito de baja temperatura. Como se trata de depósitos térmicos, las temperaturas de alta y baja son constantes, sin importar la cantidad de calor recibido y cedido por la máquina térmica y cuyos procesos se denominan isotérmicos (igual temperatura).

Como en el ciclo entre los dos depósitos en que funciona la máquina todo proceso es reversible, el ciclo debe ser reversible, por lo que puede invertirse y la maquina de calor se convierte en un  refrigerador.

Una planta de potencia

Consideremos una planta de potencia en donde, tenemos como dispositivos, una caldera, una turbina, un condensador, una bomba impulsora o compresor y agua como fluido refrigerante.

El agua en la caldera recibe calor del depósito de alta y la diferencia en sus temperaturas es infinitesimalmente pequeña, para que el proceso sea reversible. Tenemos el primer proceso isotérmico.

Después llega a la turbina, para que esta realice trabajo. Como no hay transferencia de calor, este proceso es adiabático (la turbina no tiene lugar a transferencia de calor) hay variación por caída de temperatura, reduciéndola a la del depósito de baja, que sería el segundo proceso.

El siguiente, es un proceso isotérmico y el flujo de trabajo, cede calor al depósito de baja, a través del condensador, las diferencia de temperatura entre el agua y el depósito de baja es infinitamente pequeño, para que el proceso, sea reversible, en este, el agua se condensa siendo el tercer proceso.

El ultimo y cuarto es un proceso adiabático (sin transferencia de calor) y tiene lugar en el compresor.

El agua es impulsada por el compresor, este no tiene lugar a transferencia de calor; se da así un aumento de temperatura por compresión, pero, como el agua es un fluido incompresible, habría que  extraer dél condensador una combinación de liquido y vapor para comprimirla.

En este caso lo mejor sería una planta en donde todo el vapor se condensa en el condensador y el compresor se encarga del estado líquido e impulsar el fluido de trabajo.

Este ciclo se compone de dos isotermas y dos adiabáticas, en un diagrama P-V (presión, volumen). Es un ciclo ideal, pero el más eficiente teóricamente.

Entonces para crear la máquina de calor:

E= 1-(TF /Tc )

Esta ecuacion se deriva de la segunda ley para las maquinas termicas, donde E es la eficiencia de la maquina,  TF es la temperatura del deposito de baja, Tc es la temperatura del deposito de alta.

Es facil observar que si el deposito de baja temperatura alcanzara el cero absolutoes, decir,  TF = 0 °k, y puesto que Tc tiene un valor cualquiera, mayor que cero, entonces, el cociente TF/Tc = 0 (el cociente seria igual a cero) entonces E=1 y multiplicado por cien, la eficiencia tendria un valor del 100%. Esta suposición violaria la segunda ley y por esto no se puede alcanzar el cero absoluto de la temperatura

Para el refrigerador, solo se invierten los valores de la temperatura y ocurre lo mismo pues el proceso es reversible.

Nuestro universo se comporta como una máquina térmica, en las regiones donde hay cantidades de estrellas, emitiendo enormes cantidades de calor, tal como un deposito de alta temperatura, y como un refrigerador, en los lugares que distan mucho, de las estrellas, pues son regiones de espacio oscuro y frio, que se comportan como un deposito de baja temperatura.

Y como en estas regiones de alta y baja temperatura en el universo las diferencias de temperaturas son enormes, el proceso de emisión y recepción de energia es irreversible, por lo que en el, todo proceso  es irreversible incliyendo el tiempo, que está muy ligado a las irreversibilidades.

Esta teoría entonces, siguiendo un razonamiento lógico, comprobaría que también serían imposibles los vijes al pasado en el tiempo.

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