El Segundo Principio de la Termodinámica y el Ciclo de Carnot: Conceptos Clave

Segundo Principio de la Termodinámica

El Segundo Principio de la Termodinámica fue enunciado de forma precisa por Carnot, quien afirmó que "para poder obtener trabajo mecánico del calor, es necesario contar con dos fuentes de calor a distintas temperaturas. Una será la fuente caliente, que entrega calor al sistema, y la otra la fría, que recibe calor del mismo".

Implicaciones del Segundo Principio

Según este principio, y de acuerdo con la figura 86, se observa que la existencia de la segunda fuente fría, necesaria para realizar el ciclo, trae como consecuencia que de las Q1 kilocalorías entregadas al fluido, este debe devolver a la fuente fría Q2 kilocalorías, almacenando, en consecuencia, Q1-Q2, que se transforma en el equivalente del trabajo A*L. Entonces, el Segundo Principio puede enunciarse también de la siguiente manera: "es imposible la transformación de la totalidad del calor Q1 entregado al fluido que evoluciona en trabajo mecánico mediante cualquier máquina térmica".

Por lo tanto, de las Q1 kilocalorías solamente se aprovecha una fracción de energía utilizable.

Enunciado de Clausius

Una tercera forma de enunciar el principio fue establecida por Clausius y dice: "es imposible transportar directa o indirectamente el calor de un cuerpo frío a un cuerpo caliente, a menos que haya al mismo tiempo destrucción de trabajo o transporte de calor de un cuerpo caliente a un cuerpo frío".

Demostración del Principio

Ahora, si suponemos que dos máquinas térmicas funcionan en sentido inverso entre iguales temperaturas:

• La máquina 1 transporta Q2 kilocalorías de la fuente fría a la caliente sin otro cambio de energía, en contradicción con el principio de Clausius.
• La máquina 2 transporta Q1 kilocalorías de la fuente caliente, produciendo un trabajo mecánico A*L=Q1-Q2 y depositando Q2 kilocalorías en la fuente fría.

Si hacemos funcionar las dos máquinas en su conjunto, observamos que la fuente fría no actúa, pues Q2-Q2 vale cero. Entonces, se producirá un trabajo mecánico A*L, sacando Q1-Q2 kilocalorías de una sola fuente (la caliente), lo cual se contradice con el enunciado de Carnot.

Ciclo de Carnot

Carnot concibió un ciclo ideal que era reversible, constituido por cuatro transformaciones: dos adiabáticas y dos isotérmicas reversibles.

Descripción del Ciclo

Para recorrer este ciclo, el fluido efectúa primero una expansión isotérmica AB, en la cual el trabajo se realiza tomando Q1 kilocalorías de una fuente caliente, que se encuentra a la temperatura T1, con una masa suficientemente grande para que las variaciones de temperatura sean despreciables al ceder las Q1 kilocalorías. Luego, realiza la expansión adiabática BC, la cual se realiza produciendo una caída de temperatura de T1 a T2. Continúa el ciclo con la compresión CD, donde el fluido cede Q2 kilocalorías a una fuente fría, que se encuentra a T2, y cuya masa es suficientemente grande para que su T2 permanezca constante durante la recepción del Q2. Finalmente, se completa el ciclo con la compresión adiabática D-A, elevando la temperatura del fluido de T2 a T1.

Características del Ciclo de Carnot

Todas estas operaciones son reversibles y se realizan en forma sumamente lenta en una máquina ideal, pasando por estados de equilibrios mecánicos y térmicos, manteniéndose el equilibrio químico.