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Características de procesos reversibles

Los procesos reversibles son idealizaciones de procesos verdaderos. Un ejemplo familiar y ampliamente utilizado es la ecuación e Bernoulli que hemos visto para llevar a cabo balances de flujos de entrada y salida Los procesos reversibles son extremadamente útiles para definir límites al sistema o del comportamiento de dispositivos, para identificar las áreas en las cuales ocurren las ineficiencias y permite dar criterios en el diseño de dispositivos.

Una característica importante de un proceso reversible es que, dependiendo del proceso, este representa el trabajo máximo que se puede extraer al ir de un estado a otro, o bien el trabajo mínimo que es necesario para crear un cambio de estado.

Consideremos procesos que realizan trabajo, de modo que demostremos que el proceso reversible produce el máximo trabajo de todos los procesos posibles entre dos estados. Por ejemplo, supongamos que tenemos un cilindro aislado térmicamente que contiene un gas ideal, como se muestra en la figura (45). El gas está contenido por un pistón aislado de masa despreciable con un apilado de varas pesas pequeñas encima de él. El sistema está inicialmente en equilibrio mecánico y térmico.

Figure 45: Un pistón que soporta unas pesas.
Image 4_3_1_PistonPeso

Consideremos los tres siguientes procesos que son mostrados en la figura ()

1. Todos las pesas se quitan del pistón instantáneamente y el gas se expande hasta que su volumen se incrementa en un factor de cuatro (una extensión libre).

2. La mitad del peso se quita del pistón instantáneamente, el sistema llega al doble de su volumen, y entonces la otra mitad del peso se quita instantáneamente del pistón y el gas se expande hasta que su volumen se duplica otra vez.

3 Cada pesa pequeña se quita del pistón una a la vez, de modo que la presión dentro del cilindro esté siempre en equilibrio con el peso sobre el pistón. Cuando se quita la última pasa, el volumen ha aumentado en un factor de cuatro.

Figure 46: Para obtener el máximo de trabajo se requiere que el proceso sea reversible.
Image 4_3_2_PistonPesoGraf

El máximo trabajo (proporcional al área bajo la curva) se obtiene de la expansión cuasiestática. Es importante notar que existe un relación inversa entre la cantidad de trabajo extraída en un determinado proceso y el grado de irreversibilidad

Reiterando podemos decir que

El trabajo realizado por un sistema durante un proceso reversible es el trabajo máximo que podemos conseguir.

El trabajo realizado sobre un sistema en un proceso reversible es el trabajo mínimo que necesitamos hacer para lograr un cambio de estado.

Un proceso debe ser cuasiestático (cuasi-equilibrio) ser reversible. Esto significa que los efectos siguientes deben ser ausentes o insignificantes:

Pongamos atención a un punto sobresaliente en nuestra discusión. Todo proceso reversible es cuasiestático (en estados cuasi-equilibrados) pero no todos los procesos cuasi-estaticos son reversible. Esto significa que los siguientes efectos deben estar ausentes o ser insignificantes en el proceso reversible

1. Fricción: Si la $ P_{\text{externa}}\neq P_{\text{sistema }}$ tendríamos que realizar trabajo neto para llevar el sistema de un volumen a otro volumen y para volverlo a la condición inicial

2. Expansión (no restringida) libre.

3. Transferencia de calor a través de un diferencia finita de temperatura.

Figure 47: Transferencia de calor en una diferencia finita
Image 4_3_3_TTempFinita

Supongamos que tenemos transferencia de calor de una temperatura alta a una temperatura más baja como se indica en la figura ([*]) \textquestiondownCómo restauraríamos el sistema a sus condiciones iniciales? Uno podría pensar hacer funcionar un refrigerador de Carnot para conseguir una cantidad de calor $ Q$, desde el depósito de temperatura más baja hacia el depósito de temperatura más más alta. Podríamos hacer esto, pero los alrededores necesitarían proporcionar una cierta cantidad de trabajo El resultado neto y único resultado al final del proceso sería una conversión de trabajo en calor. Para la transferencia térmica reversible de un reservorio de calor a un sistema, las temperaturas del sistema y del reservorio deben ser

$\displaystyle T_{\text{resevorio de calor}}=T_{\text{sistema}}\pm dT%
$ (192)

Es decir la diferencia entre las temperaturas de las dos entidades implicadas en el proceso de transferencia térmica sólo puede diferir una cantidad infinitesimal $ dT$.

Todos los procesos naturales son irreversibles hasta cierto punto por lo que no se puede generalizar la modelación de procesos como reversibles ya que esto no sería una buena aproximación de la realidad. Cabe señalar que un cierto número de situaciones en la ingeniería donde el efecto de la irreversibilidad puede ser omitido o ignorado si se puede suponer un proceso reversible y que resulta una aproximación excelente.

La segunda ley, que es el asunto siguiente nos dirigimos, permitimos que a hagamos una declaración cuantitativa referente a la irrevrsibilidad de un proceso físico dado.

La Segunda Ley de la Termodinámica nos permite hacer una cuantificar de la irreversibilidad de un proceso físico dado.


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Oscar Jaramillo 2007-05-03