Consideremos los tres siguientes procesos que son mostrados en la
Figura 10:
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.
Figura 10.
Para obtener el máximo de trabajo se requiere que el proceso sea
reversible.
El máximo trabajo
(proporcional al área bajo la curva) se obtiene de la expansión
casiestática. Es importante notar que existe una
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 casiestático
(casi-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 casiestático
(en estados casi-equilibrados)
pero no todos los
procesos casi
-
estaticos son reversibles.
Esto significa que
los siguientes efectos
deben estar ausentes o ser insignificantes en el proceso reversible.
1.
Fricción: Si la
P
externa
≠
P
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 una diferencia finita de temperatura
Figura 11.
Transferencia de calor en una diferencia finita.
Supongamos que tenemos
transferencia de calor
de una temperatura alta a una
temperatura más baja como se indica en la
Figura 11
,
¿Cómo restauraríamos el
sistema a sus condiciones iníciales?
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 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
T
resevorio de calor
=
T
sistema
±
dT
(4)
Es decir la diferencia entre las temperaturas de las dos entidades implicadas en el
