Segunda Ley Termodinámica: Entropía y Pérdida Calidad Energía
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La Segunda Ley de la Termodinámica establece que durante cualquier proceso energético, una parte de la energía se degrada y ya no puede usarse para producir trabajo. Esto significa que la eficiencia de la conversión de una forma de energía a otra siempre es menor que el 100%, y que la energía tiende a distribuirse de manera uniforme.
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- 1. La Segunda Ley de la termodinámica El primer principio o primera Ley de la Termodinámica es complementado por el segundo principio de la Termodinámica. En efecto, la primera ley estable la conservación de la energía en todos los procesos. No obstante, la intuición indica que unas formas de energía son más valiosas que otras. La primera Ley no predice la dirección o extensión de un proceso dado, la segunda Ley si puede resolver estos cuestionamientos como luego se observará. A la segunda Ley de la Termodinámica se le conoce también como Principio de la Entropía y establece que todo proceso es “degenerativo”, esto es, que si el resultado del proceso es una degradación de la energía, en cuanto a su capacidad de hacer trabajo, el proceso ocurrirá. Lo anteriormente expresado puede complementarse si decimos que no puede utilizarse para producir trabajo. Su valor alcanzará un máximo cuando el sistema se acerque al equilibrio. En otras palabras, el universo tiende a distribuir la energía uniformemente, es decir, a maximizar la entropía. En consecuencia, describe la irreversibilidad de los procesos energéticos. Fuente: Termodinámica-Cengel & Boles 6ta.Edic Todo lo expresado anteriormente significa reconocer el rendimiento termodinámico, o sea que, frente a una cantidad constante de energía existe una pérdida inevitable de la calidad de la misma. En otras palabras, si el primer principio de la termodinámica nos decía: nada se pierde todo se transforma; el segundo principio significa que una parte de esa energía ya no se puede utilizar en el proceso o futuros procesos. Por lo tanto, el segundo principio de la Termodinámica nos dice que el rendimiento de la transformación de una forma de energía en otra es siempre inferior a uno, lo cual se dijo con anterioridad, recordando
- 2. Ei Eo Eap Dónde: Ei = Energía Neta o Energía de entrada Eo = Energía útil o de salida Eap = Energía almacenada o pérdida (calor) Lo que implica la no existencia de máquinas perfectas, con un rendimiento del 100%. El concepto de energía pérdida no quiere decir, de ninguna manera, que esta energía desaparece, lo que acontece es que esa parte de la energía se degrada de forma tal que no se puede utilizar. Por lo tanto, siempre hay pérdidas de transformación cuando se pasa de una forma de energía a otra. Por ejemplo, la energía eléctrica se puede transformar en calor. Si tenemos 10 Wh se tendría la capacidad de producir 8,600 calorías aproximadamente, pero ese número de calorías no pueden producir 10 Wh. El segundo principio reconoce el rendimiento termodinámico; frente a una cantidad constante de energía existe una pérdida inevitable de la calidad de la misma. Determina a la vez, que no es la energía la que se modifica, pero sí un distintivo o cualidad que ella posee y se manifiesta en forma diferente en su naturaleza, esto es, su capacidad para producir trabajo. Los dos principios son complementarios: la cantidad es constante, la calidad se degrada. La disminución irreversible de la energía disponible para producir trabajo se representa por esa cualidad llamada entropía. Para enfatizar el concepto, se puede indicar que la Segunda Ley de la Termodinámica puede enunciarse en diferentes formas, y todas son
- 3. equivalentes en sus consecuencias. Aquí solo se presentarán dos de las más conocidas: Postulado de Clausius: No es posible que el calor pase, por sí solo, desde un régimen de menor temperatura hasta otra de mayor temperatura. De lo anterior se infiere lo siguiente: 1. El calor fluye siempre de mayor a menor temperatura. 2. No puede existir ningún dispositivo o máquina cuyo único efecto sea la transferencia de calor, desde una región fría a otra caliente. 3. La energía se degrada paulatinamente al realizarse un proceso de transferencia de calor, puesto que su capacidad de hacer trabajo disminuye. 4. Establece la dirección del proceso, es decir, de mayor a menor temperatura. Nótese que una bomba térmica así como un refrigerador no violan la segunda Ley de la Termodinámica, debido a que en ambos sistemas se requiere de un trabajo para realizar la transferencia de calor, desde una región fría hasta otra caliente. Postulado de Kelvin – Planck: No es posible para cualquier dispositivo operar cíclicamente, producir trabajo, e intercambiar calor solamente con una región de temperatura constante. En consecuencia, toda máquina que funcione en forma cíclica y produzca trabajo, no solo debe captar calor de una región a alta temperatura, sino también debe disipar una fracción del mismo hacia una región de menor temperatura. Este postulado pone de manifiesto el hecho de que la energía se degrada en todos los procesos. Por ejemplo, si se considera una planta de vapor de generación de energía eléctrica, se observa que solamente una parte de la fracción liberada por el combustible se aprovecha en trabajo. Lo mismo sucede en un motor de combustión interna, donde solo una parte de la energía liberada por el combustible se aprovecha en trabajo, la mayor parte se va a la atmósfera. En conclusión, la 2da Ley de la Termodinámica, nos garantiza que la Equivalencia energética de los distintos medios portadores de energía no significa igualdad; de hecho, la ley de la entropía, o de la irreversibilidad, genera una desigualdad en la conversión de un medio portador de energía en otro. Por esta razón, la transformación de la energía está siempre sujeta a inevitables pérdidas y, en tanto la energía mecánica podrá siempre ser transformada en calor con una eficiencia de 100%, por el contrario, la transformación de la energía térmica en energía mecánica exige siempre que el
- 4. proceso se realice entre dos niveles de temperatura y en condición ideal, lo que está sujeto al rendimiento máximo de un ciclo reversible de Carnot, indicado por la fórmula1: T2 T1 T2 Donde = rendimiento máximo termodinámico T1= temperatura del lado frío, [°Kelvin] T2= temperatura del lado caliente, [°Kelvin] El significado práctico del segundo principio de la termodinámica es simple: la conversión de calor en energía mecánica es posible únicamente si existe un gradiente de temperatura entre una fuente caliente y una fuente fría. El dispositivo que convierte la energía tomará calor de la parte caliente del sistema y entregara ese calor a la temperatura de la parte fría después de haber tomado una parte de la energía. El rendimiento termodinámico del proceso es directamente proporcional a la diferencia de las temperaturas entre el lado caliente y el lado frío e inversamente proporcional a la temperatura absoluta del lado caliente. UNA SIMPLIFICACIÓN PRÁCTICA DE LOS DOS PRINCIPIOS NOS DICE, POR UNA PARTE, QUE LA ENERGÍA, EN UN PROCESO, SÓLO PUEDE TRANSFORMARSE Y, POR OTRA, QUE DICHA TRANSFORMACIÓN NO PODRÁ SER TOTALMENTE EFICIENTE Y, POR TANTO, NO PODRÁ SER TOTALMENTE REVERSIBLE. 1 Alessandro Barghini. Curso para la realización de estudios de uso final de la electricidad en los sectores residencial y comercial.