Irreversibilidades

IrreversibilidadesJos Luis G. Luna TorresLos factores que causan que un proceso sea irreversible se llaman irreversibilidades, las cuales son la friccin, la expansin libre, el mezclado de dos fluidos, la transferencia de calor a travs de una diferencia de temperatura finita, la resistencia elctrica, la deformacin inelstica de slidos y las reacciones qumicas. La presencia de cualquiera de estos efectos hace que un proceso sea irreversible. Un proceso reversible no incluye ninguno de ellos. Algunas de las irreversibilidades encontradas con mayor frecuencia se analizan brevemente a continuacin.La friccin es una forma familiar de irreversibilidad relacionada con cuerpos en movimiento. Cuando dos cuerpos en contacto son forzados a moverse uno respecto al otro (un mbolo en un cilindro, por ejemplo, como se ilustra en la figura 6-32), en la interface de ambos se desarrolla una fuerza de friccin que se opone al movimiento, por lo que se requiere algo de trabajo para vencer esta fuerza de friccin. La energa suministrada como trabajo se convierte finalmente en calor durante el proceso y se transfiere hacia los cuerpos en contacto, como lo evidencia un aumento de temperatura en la interfaz.

Cuando se invierte la direccin del movimiento, los cuerpos se restablecen a su posicin original, pero la interfaz no se enfra y el calor no se convierte de nuevo en trabajo. En cambio, algo ms del trabajo se convierte en calor mientras se vencen las fuerzas de friccin que tambin se oponen al movimiento inverso. Dado que el sistema (los cuerpos en movimiento) y los alrededores no pueden ser regresados a sus estados originales, este proceso es irreversible. Mientras ms grandes sean las fuerzas de friccin, ms irreversible es el proceso.La friccin no siempre tiene relacin con dos cuerpos slidos en contacto. Tambin se encuentra entre un fluido y un slido e incluso entre las capas de un fluido que se mueve a distintas velocidades. Una fraccin considerable de la potencia que produce el motor de un automvil se emplea para vencer la friccin (la fuerza de arrastre) entre el aire y las superficies externas del automvil, fraccin que en algn momento se vuelve parte de la energa interna del aire. No es posible invertir este proceso y recuperar la energa perdida, aunque hacerlo no violara el principio de conservacin de la energa.Otro ejemplo de irreversibilidad es la expansin libre de un gas, el cual se halla separado de un vaco mediante una membrana, como se ilustra en la figura 6-33. Cuando se rompe la membrana, el gas llena todo el recipiente y la nica forma de restaurar el sistema a su estado original es comprimirlo a su volumen inicial, mientras se transfiere calor del gas hasta que alcanza su temperatura inicial. De las consideraciones de conservacin de la energa, se puede demostrar sin dificultad que la cantidad de calor transferida del gas es igual a la cantidad de trabajo que los alrededores realizan sobre el gas. La restauracin de los alrededores requiere convertir por completo este calor en trabajo, lo cual violara la segunda ley. Por lo tanto, la expansin libre de un gas es un proceso irreversible.

Una tercera forma de irreversibilidad conocida es la transferencia de calor debida a una diferencia de temperatura finita. Considere una lata de bebida carbonatada fra dejada en un espacio caliente (Fig. 6-34). El calor se transfiere desde el aire de la habitacin el cual se encuentra a mayor temperatura hacia la lata que est ms fra. La nica forma de invertir este proceso y restablecer la temperatura original de la lata de soda es proporcionarle refrigeracin, lo cual requiere algo de entrada de trabajo. Al final del proceso inverso, la soda vuelve a su estado original, pero no los alrededores.La energa interna de stos se incrementa en una cantidad igual en magnitud al trabajo suministrado al refrigerador. Restablecer los alrededores a su estado inicial slo es posible hacerlo si se convierte este exceso de energa interna completamente en trabajo, lo cual es imposible sin violar la segunda ley. Como solamente el sistema, no el sistema y los alrededores, puede ser restablecido a su condicin inicial, la transferencia de calor ocasionada por una diferencia finita es un proceso irreversible.

La transferencia de calor puede ocurrir slo cuando hay una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores, por lo tanto es fsicamente imposible tener un proceso de transferencia de calor reversible. Pero un proceso de transferencia de calor se vuelve cada vez menos reversible a medida que la diferencia de temperatura entre los dos cuerpos se aproxima a cero.Entonces, la transferencia de calor por una diferencia de temperatura diferencial dT se puede considerar como reversible. Cuando dT se aproxima a cero, el proceso puede cambiar de direccin (por lo menos en teora) sin requerir ninguna refrigeracin. Observe que la transferencia de calor reversible es un proceso conceptual y no es posible reproducirlo en el mundo real.Mientras ms pequea sea la diferencia de temperatura entre dos cuerpos, ms pequea ser la tasa de transferencia de calor. Cualquier transferencia de calor importante debida a una diferencia de temperatura pequea requiere un rea superficial muy grande y un tiempo muy largo. Por lo tanto, aunque desde un punto de vista termodinmico es deseable aproximar la transferencia de calor reversible, es imprctico y no factible econmicamente