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Este enunciado, indica que el diagrama mostrado en la figura 6.5 para un proceso cíclico, no es lo suficientemente descriptivo. El enunciado de Kelvin-Planck nos indica que en un motor térmico se necesita más de un reservorio de calor. Lo más sencillo es considerar dos, como indica la figura 6.6
Se denomina eficiencia de un motor térmico a la relación
o sea, al cociente entre el trabajo producido y el calor entrante al sistema. Debido a que Q2 es mayor que W, la eficiencia es un número menor que uno.
El segundo principio de la termodinámica restringe aún más los procesos termodinámicos que pueden ocurrir en la naturaleza. Veremos varios enunciados del segundo principio
Consideremos el caso particular en que el trabajo W es cero. Dado que se debe satisfacer el primer principio, los intercambios de calor con los dos reservorios se deben cancelar en este caso; por lo que solamente hay dos posibilidades, como se indica en las figuras 6.7 y 6.8. En el caso a) la primera ley se cumple por medio del balance:
Mientras que en el caso b) se cumple por medio de:
¿Cuál de los dos casos ocurre en la naturaleza?
Esto se aclara con otra formulación de la segunda ley debida a Clausius, que es la siguiente:
No existe un proceso termodinámico cuyo solo efecto sea extraer calor de un reservorio y entregarlo a otro reservorio de temperatura mayor.
El ciclo de Carnot es un proceso cíclico de un gas ideal que involucra una etapa de expansión isotérmica, seguida de una etapa de expansión adiabática
En los dos tramos adiabáticos no existe intercambio de calor, pero si existe una relación en la que hay intercambio de calor Q2 con el reservorio a temperatura T2 y un intercambio de calor Q1 con el reservorio a temperatura a T1.
Debido a esto existe la relación que Q2=T2
Q1 T1
Con esta ecuación es posible expresar la eficiencia para un ciclo de Carnot en término de las temperaturas, obteniéndose
Si en vez de usar un gas ideal para realizar el ciclo de Carnot, usáramos cualquier otra sustancia, debido a que la eficiencia no depende de la naturaleza del motor térmico, sino de las temperaturas involucradas, la siguiente definición es consistente.
Se define la temperatura termodinámica como aquella que en el ciclo de Carnot satisface
y cuyo valor en el punto triple del agua es
Se debe notar que la temperatura termodinámica coincide con la temperatura definida a partir de un gas ideal.
Un ejemplo de proceso irreversible puede ser la expansión adiabática libre de un gas ideal como muestran las figuras 6.2 y 6.3.
Un proceso se dice cíclico cuando regresa a algún estado inicial. Esto quiere decir que la variación de la energía ( E) es igual al calor (Q) menos el trabajo(W) y como resultado se obtiene 0 como valor para cualquier ciclo.
E= Q-W= 0
Un proceso termodinámico reversible es aquel que también podemos realizar en sentido inverso, sin ningún inconveniente, de tal forma que el sistema y el entorno vuelvan a sus estados iniciales.
En realidad un proceso reversible se puede caracterizar por una sucesión de estado de equilibrio que se recorren muy lentamente. Muy lentamente significa que en todo momento el sistema se puede considerar en equilibrio termodinámico.