El documento describe los principios básicos de la termodinámica, incluyendo las leyes de la termodinámica, máquinas térmicas, eficiencia térmica y procesos reversibles e irreversibles. Explica que la primera ley establece la conservación de la energía pero no determina la dirección de los procesos, mientras que la segunda ley permite identificar la dirección de los procesos y establece que la energía tiene calidad además de cantidad. También define las máquinas térmicas, su eficiencia como la

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PRIMERA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Como ya todos sabemos, la primera ley de la termodinámica o principio de la conservación de la
energía, nos dice que la energía es una propiedad conservada, y no se conoce ningún proceso que
viole esta ley. Por lo que es posible que lleguemos a concluir, que para que un proceso pueda
ocurrir este debe satisfacer la mencionada, primera ley. Sin embargo, satisfacerla, en realidad no
nos asegura que el proceso sea realizable.
Muchos procesos observados en la vida diaria nos
demuestran que los mismos, solo pueden ocurrir
en una sola dirección y no en la dirección
contraria. Un ejemplo claro, es el caso del
calentamiento del área circundante a un circuito
eléctrico por el que fluye corriente a través de un
resistor. La primera ley nos dice que la energía
eléctrica suministrada a la resistencia debe ser
igual a la cantidad de energía transferida al medio
en forma de calor. Invirtiendo el proceso, se
esperaría que transferir cierta cantidad de energía
calórica a dicha resistencia cause que se genere cierta cantidad de energía eléctrica equivalente en
ella, mas, sin embargo, esto no ocurre.
Como pudimos observar, la primera ley no restringe la dirección del proceso y es aquí donde tiene
lugar la segunda ley de la termodinámica. El proceso inverso analizado anteriormente, viola la
segunda ley, lo cual se demostrará posteriormente. Un proceso solo puede ocurrir si satisface
ambas leyes.
Además de permitir la identificación de la dirección de los procesos, la segunda ley también afirma
que la energía además de cantidad presenta una calidad. La primera ley solo contempla la
conservación de la cantidad de energía sin tomar en cuenta su calidad. Para los ingenieros es de
suma importancia lograr la mayor conservación de calidad energética, y la segunda ley nos provee
medios para determinarla, así como qué tanto se degrada la energía en el proceso y cuáles son los
límites teóricos en el desempeño de sistemas de ingeniería de uso común.
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MÁQUINAS TÉRMICAS
Por experiencia se sabe que el trabajo se puede convertir en calor de forma directa y
completamente, pero convertir el calor en trabajo requiere usar algunos dispositivos especiales.
Estos dispositivos reciben el nombre de máquinas térmicas.
En resumen, las máquinas térmicas difieren bastante entre sí, pero básicamente todas:
a. Reciben calor de alguna fuente a alta temperatura (reactor nuclear, energía solar, horno
de petróleo, etc.)
b. Convierten parte de este calor en trabajo.
c. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la
atmósfera, los ríos, etc.)
d. Operan en un ciclo.
Fig.2 Parte del calor que recibe la máquina térmica se convierte en trabajo, mientras el resto es rechazado
hacia un sumidero.
Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos por lo general requieren de un fluido hacia y
desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un ciclo. A este fluido se le conoce como
fluido de trabajo.
El dispositivo productor de trabajo que más se ajusta a la definición de máquina térmica es la
central eléctrica de vapor, la cual es una máquina de combustión externa (combustión fuera de la
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máquina) y la energía liberada durante este proceso se transfiere al vapor como calor. El esquema
de una central eléctrica de vapor se muestra en la siguiente figura:
Fig.3 Esquema de una central eléctrica de vapor
Donde las distintas cantidades mostradas son:
EFICIENCIA TÉRMICA
Como ya se había mencionado, la cantidad de trabajo que sale de una máquina térmica siempre es
menor que la cantidad de entrada de calor, es decir, solo una fracción del calor transferido a la
máquina se convierte en trabajo y de esta forma el calor que sale, nunca es cero. La fracción de la
entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempeño de una
máquina térmica (reversible o irreversible) y se le llama eficiencia térmica.
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Para estas máquinas, la salida obtenida es la de trabajo neto y la entrada de calor es la cantidad de
calor suministrado al fluido de trabajo, necesario para obtener la salida obtenida; de esta forma:
݈ܵܽ݅݀ܽ ݀݁ ‫݋ݐ݁݊ ݋݆ܾܽܽݎݐ‬
‫ݐ ݂ܽ݅ܿ݊݁݅ܿ݅ܧ‬é‫ ܽܿ݅݉ݎ‬ൌ
‫݈ܽݐ݋ݐ ݎ݋݈ܽܿ ݁݀ ܽ݀ܽݎݐ݊ܧ‬
O bien,
ܹ௡௘௧௢,௦௔௟௜ௗ௔
ߟ௧௘௥ ൌ
ܳ௘௡௧௥௔ௗ௔
Como ܹ௡௘௧௢,௦௔௟௜ௗ௔ ൌ ܳ௘௡௧௥௔ௗ௔ െ ܳ௦௔௟௜ௗ௔ ,
ܳ௦௔௟௜ௗ௔
ߟ௧௘௥ ൌ 1 െ
ܳ௘௡௧௥௔ௗ௔
Comúnmente, podemos observar que se definen dos cantidades al hablar del calor cedido o
suministrado a la máquina. Estas son:
ܳு = Magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de alta
temperatura ܶு .
ܳ௅ = Magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de baja
temperatura ܶ௅ .
Entonces, el trabajo neto y las relaciones de eficiencia térmica para cualquier máquina térmica
también se pueden expresar con estas magnitudes, sabiendo que ܳ௦௔௟௜ௗ௔ ൌ ܳ௅ y ܳ௘௡௧௥௔ௗ௔ ൌ ܳு .
Una muestra de que la eficiencia térmica de una máquina térmica siempre es menor que la unidad
es que ܳ௦௔௟௜ௗ௔ ൌ ܳ௅ y ܳ௘௡௧௥௔ௗ௔ ൌ ܳு son magnitudes, por lo que siempre son cantidades
positivas; y además, la cantidad de calor cedido siempre será menor al calor que se suministra a la
máquina.
Para que la eficiencia fuera la unidad la máquina térmica no debería ceder calor a un sumidero de
baja temperatura durante la realización de un ciclo. Sin embargo, el hecho de que el ܳ௦௔௟௜ௗ௔ fuera
cero, transgredería el segundo principio de la termodinámica, según el cual: “Ningún dispositivo
puede operar de forma tal que su único efecto (tanto en el sistema como en los alrededores) sea la
conversión completa del calor absorbido por el sistema, en forma de trabajo”.
Por lo tanto, queda claro que ninguna máquina térmica puede presentar una eficiencia de 100%, al
realizar un ciclo. La respuesta a la pregunta que cabe hacerse acerca de cuál es el mayor
rendimiento alcanzable, está en el grado de reversibilidad de las diferentes etapas u operaciones
que describe la máquina durante la realización de un ciclo.
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Así el mayor rendimiento posible, lo marca la máquina ideal de Carnot que trabaja de forma
completamente reversible.
PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES
Un proceso reversible es aquel proceso que se puede invertir sin dejar rastro en los alrededores.
Luego de finalizado el proceso inverso, los alrededores vuelven a sus estados iniciales. Esto solo
puede ocurrir si el intercambio de calor y trabajo neto entre el sistema y los alrededores es cero
para el proceso combinado (original e inverso). Los procesos que no presentan esta característica
se denominan procesos irreversibles.
Los procesos reversibles, en realidad no ocurren en la naturaleza, solo son idealizaciones procesos
reales. Entonces, ¿por qué preocuparse por este tipo de procesos ficticios? Existen dos razones:
una es que son fáciles de analizar; debido a que un sistema presenta estados de equilibrio
definidos durante un procesos reversible; y la otra, es que sirven como modelos idealizados con
los que se pueden comparar los procesos reales.
Los procesos reversibles pueden considerarse como límites teóricos para los irreversibles
correspondientes. Quizás no seas posible obtener un proceso reversible, pero es posible
aproximarse. Entre más tienda hacia un proceso reversible, un dispositivos entrega más o requiere
menos trabajo.
Los factores que causan que un proceso sea irreversible son llamados irreversibilidades, los cuales
son, la fricción, la expansión libre, el mezclado de dos fluidos, la transferencia de calor a través de
una diferencia finita de temperatura, la resistencia eléctrica, la deformación inelástica de sólidos y
las reacciones químicas.
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