FRIGORIFICO

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SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La primera ley de la termodinámica y el principio de conservación de
masa describen la conservación de una propiedad particular. La primera ley
expresa la forma en que se altera la energía del sistema debido a la transmisión
de energía por las fronteras del sistema y el transporte de masa dentro y fuera de
dicho sistema. La primera ley es un procedimientode contabilidad riguroso que
describe los cambios de la energía del sistema. La conservación de masa
cuantifica los cambios de la masa en el sistema. Ambos enunciados de
conservación relacionan directamente el cambio de una propiedad del sistema con
la transmisión por una frontera. La segunda ley de la termodinámica también
relaciona una propiedad del sistema con la transmisión de energíapor las
fronteras, pero la relación simplemente especifica la dirección del cambio.
8.1.
Observaciones físicas
Se van a presentar dos ejemplos para demostrar la incapacidad de la primera
ley de la termodinámica y del enunciado de conservación de la masa
para

describir

completamente un sistema. Los dos ejemplos van a considerar

sistemas aislados, por lo que la transmisión de calor y eltrabajo por las fronteras
del sistema son iguales a cero.
La Fig. 1 presenta una cámara aislada, dividida, conteniendo vapor de agua
en un lado de la división y el vacío en el otro lado. Este es el estado
inicial del sistema y se indica como estado 1. Repentinamente se quita la división
y el sistema alcanza el equilibrio en el estado final donde el vapor de agua llena
por entero la cámara.Este estado final se denomina estado 2. Al pie de la figura se
han escrito la primera ley y la conservación de la masa, indicando que la
transformación es un proceso a masa constante y a energía interna constante.
Es claro que estos enunciados se satisfacen y que el proceso es físicamente
razonable. En la Fig. 1b, el vapor de agua llena por completo la cámara en su

estado inicial 1. Elsistema se transforma por sí mismo en dos subsistemas, con el
vapor de agua contenido en una mitad de la cámara y un vacío perfecto en la otra
mitad. Se coloca una división y este estado final corresponde al estado 2. Este
caso también está descrito por un proceso a masa constante y energía interna
constante, tal como se indica en la Fig. 1. De nuevo se satisfacen los principios
de conservaciónde la masa y de la energía; sin embargo, la experiencia
indica que el proceso de la Fig. 1b es imposible; este proceso jamás ocurrirá, aun
cuando se permita que transcurra largo tiempo. La incapacidad de la primera ley y
de la conservación de la masa para explicar ésta imposibilidad indica que es
necesaria otra ley fundamental.

VAPOR
DE AGUA

VACÍO

VAPOR
DE AGUA

VAPOR
DE AGUAVAPOR
DE AGUA

VACÍO

Figura 1. Expansión hacia el vacío, sistema aislado.

La Fig. 2 muestra un sistema aislado conteniendo dos bloques de materiales
marcados I y II. En la Fig. 2a, el bloque I esta a una temperatura alta TA, en
tanto que el bloque II se encuentra a temperatura baja TB. Inicialmente se han
colocados juntos y aislados de los alrededores, y se señala como el estado 1.Subsecuentemente existe una transmisión de calor entre el bloque I y el bloque II
hasta que al equilibrio alcanzan una temperatura común e intermedia T. Este
estado final se denomina estado 2. En la Fig. 2 se presentan los enunciados
de conservación de la masa y de la energía, indicando que se trata de un
proceso

a

masa constante y energía interna constante. Se espera que la

temperaturadel bloque más caliente disminuya y que la temperatura del bloque
mas frío aumente hacia la temperatura de equilibrio. El proceso satisface los
enunciados de conservación tanto como las expectativas físicas. En la Fig.
2b, los dos bloques se han colocado inicialmente juntos a la misma temperatura y

el estado final se obtiene cuando el bloque I se encuentra a la temperatura elevada
TA y...