Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica: Enunciado de Kelvin-Planck.
Ninguna máquina térmica puede convertir todo el calor que recibe en trabajo útil. Esta limitación de la eficiencia térmica de las máquinas térmicas forma la base para el enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica, que se expresa como sigue:
“Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor deun solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo”.
Es decir, una máquina térmica debe intercambiar calor con un sumidero de baja temperatura así como con una fuente de temperatura alta para seguir funcionando.
El enunciado de Kelvin-Planck se puede expresar también como: ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica de 100 por ciento o bien: para que una central eléctricaopere, el fluido de trabajo debe intercambiar calor con el ambiente, así como con el horno. Observe que la imposibilidad de tener una máquina térmica con 100 por ciento de eficiencia no se debe a la fricción o a otros efectos de disipación, es una limitación que se aplica a las máquinas térmicas ideales y reales. Se desarrolla una relación para la eficiencia térmica máxima de una máquina térmica.Asimismo, se demuestra que este valor máximo depende sólo de la temperatura del depósito.
Ésta es una máquina térmica que viola el enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley.

Figura 1.
Refrigeradores y bombas de calor.
Se sabe por experiencia que el calor se transfiere en la dirección de temperatura decreciente, es decir, desde medios a temperatura alta hacia los de temperatura baja. Este procesode transferencia de calor ocurre en la naturaleza sin requerir ningún dispositivo. Sin embargo, el proceso inverso no puede ocurrir por sí mismo. La transferencia de calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro de temperatura alta requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores.
Los refrigeradores, como las bombas de calor, son dispositivos cíclicos. El fluido etrabajo utilizado en el ciclo de refrigeración se denomina refrigerante. El ciclo de refrigeración que se utiliza con mayor frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión por vapor, en el que intervienen cuatro componentes principales: un compresor, un condensador, una válvula e expansión y un evaporador, como se ilustra en la figura 2.
Componentes básicos de un sistema de refrigeración y suscondiciones de operación características.
Figura 2.
El refrigerante entra al compresor como vapor y se comprime hasta la presión del condensador, posteriormente sale del compresor a una temperatura relativamente alta y se enfría y condensa a medida que fluye por los serpentines del condensador rechazando calor al medio circundante. Después entra al tubo capilar donde su presión y temperatura caen deforma drástica debido al efecto de estrangulamiento. Luego, el refrigerante a temperatura baja entra al evaporador, donde se evapora absorbiendo calor del espacio refrigerado. El ciclo se completa cuando el refrigerante sale del evaporador y vuelve a entrar al compresor.
En un refrigerador doméstico, el comportamiento del congelador donde el refrigerante absorbe calor sirve como evaporador,mientras que el serpentín situado comúnmente detrás del refrigerador, done el calor se disipa hacia el aire de la cocina, sirve como condensador.
El esquema de un refrigerador se muestra en la figura 3. Aquí, QL es la magnitud del calor eliminado del espacio refrigerado a temperatura TL, QH es la magnitud del calor rechazado hacia el medio caliente a temperatura TH y Wnetoentrada es la entrada detrabajo neto al refrigerador. Como se explicó, QL y QH representan magnitudes, por lo tanto son cantidades positivas.
Figura 3.
El objetivo de un refrigerador es eliminar QL de un espacio enfriado.

Coeficiente de desempeño.
La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de desempeño (COP, siglas de coefficient of perfomance), el cual se denota mediante COPR. El objetivo de...