Refrigerador de Carnot

                                                               SADI CARNOT

En su libro "Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance," Sadi Carnot también aborda el funcionamiento del refrigerador, aunque lo llama "máquina inversa". Describe cómo este dispositivo puede extraer calor de un cuerpo frío y transferirlo a uno más cálido mediante un ciclo termodinámico inverso. Carnot destaca que la eficiencia del refrigerador depende de la relación de temperaturas y subraya la importancia de la segunda ley de la termodinámica para comprender su operación. Su trabajo sentó las bases para el desarrollo posterior de sistemas de refrigeración y climatización, permitiendo aplicaciones prácticas y mejoras tecnológicas en este campo.

Se sabe que el calor se transfiere en la dirección de la temperatura más alta a la más baja, este proceso ocurre en la naturaleza sin requerir ningún dispositivo. Sin embargo, el proceso inverso no puede ocurrir por si mismo, como lo dice el enunciado de Clausius.

La transferencia de calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro de temperatura alta requiere de un refrigerador. Al invertir el ciclo de la máquina térmica de Carnot, obtenemos un ciclo de refrigeración de Carnot. Todos los procesos son internamente reversibles.

El refrigerador trabaja de un modo muy similar a una bomba de calor; enfría su interior bombeando energía térmica desde los compartimientos de almacenamiento de los alimentos hacia el exterior más caliente. Durante su operación, un refrigerador elimina una cantidad de energía térmica Qf del interior del refrigerador, y en el proceso (igual que la bomba de calor) su motor realiza trabajo W. El coeficiente de realización de un refrigerador o de una bomba de calor se define en términos de Qf:




En este caso, el coeficiente de realización más alto posible es también el de un refrigerador cuya sustancia de trabajo se lleva por un ciclo de máquina térmica de Carnot a la inversa.

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Maquina Térmica de Carnot

                                                               SADI CARNOT

El libro "Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance" (Reflexiones sobre la Potencia Motriz del Fuego y sobre las Máquinas Apropiadas para Desarrollar esta Potencia), escrito por Sadi Carnot y publicado en 1824, es considerado el fundamento de la Termodinámica. Carnot analiza las máquinas térmicas y establece el concepto de "ciclo termodinámico ideal". Introduce la noción de que el rendimiento de una máquina depende de la diferencia de temperatura entre la fuente caliente y la fuente fría. Su trabajo sentó las bases para futuros desarrollos en esta ciencia y es esencial en el estudio de la conversión de energía térmica en trabajo mecánico.

"Toda máquina térmica requiere para su funcionamiento al menos de dos fuentes de calor a diferentes temperaturas. La máquina funcionará tomando calor de la fuente de mayor temperatura, producirá trabajo y entregará calor a la fuente de menor temperatura".

El esquema representativo de una máquina térmica que funciona de acuerdo con el enunciado de Carnot del segundo principio se indica en la siguiente figura.

Siendo su rendimiento.

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Proceso irreversible

Todos los procesos que no son reversibles son irreversibles. Estos involucran rozamiento, perdidas de calor y otras irreversibilidades.

Un proceso irreversible es aquel que no puede invertirse, a menos que se efectue un cambio de los alrrededores. Ocurren expontaneamente en una dirección determinada con cambios drásticos del sistema y su entorno, lo que hace imposible la irreversibilidad.

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Proceso reversible

Un proceso reversible es aquel que puede invertirse sin dejar ninguna huella en los alrededores, Tanto el sistema como sus alrededores regresan a sus estados iniciales al finalizar el proceso.

 El trabajo del proceso de 1-2 es el mismo de 2-1, por lo que no serán afectados los alrededores, ni el sistema, cuando regresan a su estado original.

 W1-2 = W2-1

 Ejemplos de ´Procesos Reversibles.

1.- Expansión o compresión controlada (muy lenta) de un gas.

2.- Movimiento sin fricción.

3.- Deformación elástica de un sólido

En realidad los procesos reversibles no ocurren en la naturaleza. Son idealizaciones de los procesos reales, que sirven como modelos para ser comparados con los procesos reales.

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Enunciado de Clausius

Enunciado de la 2ª Ley de la Termodinámica de Clausius 

Rudolf Clausius fue un destacado físico y matemático del siglo XIX que realizó una valiosa contribución a la Segunda Ley de la Termodinámica. 

Rudolf Clausius 1850

En 1850, Clausius formuló el concepto clave de "entropía" y enunció el famoso principio de la Segunda Ley

 "En un sistema aislado, la entropía nunca disminuye, siempre aumenta o se mantiene constante en el equilibrio". Introdujo el término "entropía" para medir la cantidad de energía no utilizable en un sistema, es decir, el grado de desorden o aleatoriedad molecular.

Su trabajo fue fundamental para el desarrollo de la Termodinámica moderna y contribuyó al reconocimiento de la importancia de la entropía como una magnitud física fundamental en los procesos termodinámicos. La formulación de Clausius consolidó la idea de la irreversibilidad y del flujo unidireccional del calor desde una fuente caliente hacia una fría. La entropía se convirtió en una herramienta crucial para analizar y comprender los límites de la eficiencia en los procesos y sistemas termodinámicos.

Rudolf Clausius, junto con Sadi Carnot, Lord Kelvin, y otros científicos, sentó las bases para la comprensión profunda de los principios que rigen la transferencia de calor y la conversión de energía en diversas máquinas y procesos industriales. Su trabajo es considerado una piedra angular en la Teoría Termodinámica y ha tenido un impacto significativo en la ciencia y la tecnología moderna.

Clausius también formuló otra versión de la Segunda Ley en términos de los ciclos termodinámicos.

 "Estableció que es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, tome calor de una fuente y lo convierta completamente en trabajo útil, sin producir algún efecto secundario."

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           Si T2 Fuente Caliente  y T1 Fuente Fría  no es posible el flujo de calor  de menor a mayor temperatura en forma natural.                                                                                                                                                                             Si T2 > T1  El calor solo fluye de mayor a menor temperatura en forma natural

Esta exigencia describe un refrigerador, que funciona cíclicamente, transfiriendo calor desde una fuente de baja temperatura a otra de mayor temperatura.

Enunciado de Sadi Carnot

Enunciado de Kelvin Planck

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Enunciado de Kelvin Planck

                    LORD KELVIN                                                                                MAX PLANCK

William Thomson, conocido como Lord Kelvin, y Ludwig Max Planck desarrollaron la formulación de la Segunda Ley de la Termodinámica. Lord Kelvin es recordado por su asociación con el enunciado de Kelvin-Planck, que establece que 

"Es imposible que un dispositivo opere en un ciclo y produzca trabajo útil mientras opera en contacto térmico con una sola fuente a temperatura constante". 

En otras palabras, no es posible construir una máquina que tome calor de una sola fuente caliente y convierta completamente ese calor en trabajo mecánico, sin dejar residuos de calor.

La contribución de Kelvin al desarrollo de la Segunda Ley fue crucial para el reconocimiento de la irreversibilidad de los procesos termodinámicos y el establecimiento del concepto de eficiencia. El enunciado de Kelvin-Planck destaca la necesidad de una fuente fría para que una máquina térmica realice un ciclo y produzca trabajo útil. Esto implica que siempre habrá una pérdida de energía en forma de calor desechado al ambiente.

La formulación de Kelvin-Planck proporcionó una base sólida para el diseño y análisis de máquinas térmicas y ha tenido un impacto significativo en la ingeniería y tecnología moderna. Lord Kelvin también hizo importantes contribuciones al desarrollo de la escala absoluta de temperatura, que lleva su nombre, la escala Kelvin. Su trabajo en termodinámica y otros campos de la física lo convierte en uno de los científicos más influyentes del siglo XIX y su legado sigue siendo fundamental en el estudio de los principios de la energía y el calor.

Qs = W

Este enunciado exige que cualquier dispositivo cíclico que produzca trabajo a partir de calor, requiere por lo menos dos fuentes de energía a diferentes temperaturas.

Enunciado de Sadi Carnot

Enunciado de Clausius

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