Principios de la Termodinámica: Clausius, Kelvin-Planck, Motores Térmicos y Carnot

Principios de la Termodinámica y Motores Térmicos

12.5 Enunciados de Clausius y Kelvin-Planck

12.5.1 Enunciado de Clausius

No existe ningún proceso físico posible cuyo único efecto sea pasar calor de un foco de temperatura menor a otro de temperatura mayor. Supongamos que tenemos dos focos a temperatura T y T' respectivamente. El cambio de entropía cuando una cierta cantidad Q de calor es cedida por el foco de temperatura T y absorbida por el foco de temperatura T' será: “x”, ya que todo el calor absorbido por el foco T' ha sido cedido por el foco T. Como la entropía de un sistema aislado siempre aumenta, tenemos y por tanto T' < T. Vemos que el calor solo puede ser cedido por el foco con temperatura mayor y absorbido por el de temperatura menor.

12.5.2 Enunciado de Kelvin-Planck

No existe ningún proceso físico posible cuyo único resultado sea la conversión de la energía térmica de un foco en trabajo. Supongamos que podemos extraer una cierta cantidad de energía térmica Q > 0 de un foco a temperatura T y convertirlo íntegramente en trabajo mecánico sin ningún otro efecto.

12.6 Motores Térmicos y Refrigeradores. Motor de Carnot

Un motor térmico es un dispositivo que aprovecha la energía térmica de un foco convirtiéndola en trabajo. El enunciado de Kelvin-Planck indica que no es posible aprovechar toda la energía térmica de un foco convirtiéndola íntegramente en trabajo. Para poder realizar trabajo, necesitamos al menos dos focos, con temperaturas T y T’. En el funcionamiento de un motor, un sistema termodinámico M evoluciona cíclicamente en contacto con dos focos T y T'. En cada ciclo absorbe una cierta cantidad de calor Q del foco con temperatura T, convirtiendo una parte de ese calor en trabajo W, y cediendo un calor Q' al foco con temperatura T'. Aplicando el primer principio de la termodinámica obtenemos: ΔUmotor = Q-Q'-W=0 --> W=Q-Q'. Sin embargo los focos han perdido o ganado energía térmica, y por lo tanto han cambiado de estado. Se define el rendimiento de un motor térmico como el cociente entre el trabajo realizado y el calor absorbido por el motor en un ciclo (formula del rendimiento). Podemos utilizar el segundo principio de la termodinámica para encontrar el valor máximo del rendimiento de un motor. El cambio de entropía de la sustancia que recorre el ciclo es cero, ya que la entropía es una función de estado. En un motor de Carnot, cuando el sistema M describe el ciclo en el sentido contrario, el motor funciona como refrigerador. En este caso, se extrae calor del foco frío y se cede calor al foco caliente, a costa de realizar trabajo sobre el sistema termodinámico.