Aplicaciones de La Segunda Ley de La Termodinámica

APLICACIONES DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICAEn la naturaleza existen un gran número de procesos que sólo se llevan a cabo en un sentido y no en el contrario, dirigiéndose finalmente hacia el equilibrio. Por ejemplo, revisemos los siguientes procesos: -El agua caliente dentro de una cafetera, comenzará a enfriarse, hasta igualar la temperatura del aire circundante. Sería sorprendente que en lugar de enfriarse, se pusiera más y más caliente, como si absorbiera energía del aire frío de la cocina. -El agua y la tinta se mezclan espontáneamente para formar una solución, pero no pueden separarse sin la intervención de un agente externo. -Un cigarrillo arde desprendiendo humo y produciendo cenizas, pero espontáneamente las cenizas y el humo no regeneran el cigarrillo. -El agua de una catarata, cae espontáneamente de un nivel alto a uno bajo, nunca en el sentido opuesto. -Una planta crece, da frutos y luego cambia sus hojas. Pensar en las hojas secas levantándose, uniéndose por sí mismas al árbol y después convirtiéndose en brotes, resulta muy extraño. -Una pelota que cae al suelo finalmente dejará de botar. Quedaríamos sorprendidos, si repentinamente, la pelota que yace quieta en el suelo, comenzara a estremecerse y después a rebotar, cada vez más alto. La Primera Ley de la Termodinámica no predice la dirección de tales procesos, sin embargo, la Segunda Ley de la Termodinámica, establece el sentido con que se llevan a cabo los procesos espontáneos en el Universo. Por otra parte, la Segunda Ley de la Termodinámica tiene gran aplicación dentro del campo de la ingeniería, para predecir la eficiencia máxima de las máquinas térmicas, tales como las máquinas de vapor, los motores de combustión de los automóviles, las turbinas de gas, etc. A continuación, se muestran algunas de las miles de máquinas donde se aplica la segunda ley de la termodinámica. 1. Eolípila de Herón Las máquinas térmicas, son máquinas que transforman el calor en trabajo. la primera máquina de este tipo fue una turbina de vapor primitiva (eolípila) que se atribuye a Herón de Alejandría (siglo I). Este juguete ingenioso, consistía en una caldera de vapor de agua, conectada a una esfera hueca de metal provista de dos tubos acodados, de tal manera que al ser expelido el vapor, la esfera comenzaba a girar. No tuvo ninguna aplicación práctica pero marcó el inicio de las posteriores máquinas térmicas. fig. 1: Eolípila de Herón 2: Funcionamiento del pistón de Papin 3. Cuando el recipiente se vacía. Pistón de Papin No fue sino hasta 1690. desarrolló un pistón que se movía dentro de un cilindro impulsado por vapor de agua. lo que provoca un vacío y permite que un tubo inferior. mejoraron la operación del pistón . controlado por una válvula. En 1705 Newcomen y Cawler. Máquina de Savery La idea de Papin fue puesta en práctica por Thomas Savery en 1698. al patentar la primera máquina de vapor que encontró un uso considerable en la extracción de agua de las minas de carbón y en la distribución de agua para casas habitación. Su funcionamiento consiste esencialmente en inyectar vapor a un recipiente lleno de agua. el vapor se condensa produciendo un vacío que hace que el pistón descienda. todas ellas destinadas a mejorar la cantidad de agua y la altura a la que ésta podía elevarse. aspire agua del pozo fig. hasta vaciar su contenido por un tubo colocado en la parte superior.2. cesa el suministro de vapor y el vapor remanente se condensa por medio de un chorro de agua fría. 3 : Funcionamiento de la máquina de Savery para bombear agua 4. al enfriar el cilindro. cuando Denis Papin. Máquina de Newcomen y Cawler La máquina de Savery fue subsecuentemente modificada de diversas maneras. El pistón se eleva impulsado por el vapor y posteriormente. fig. 4: Máquina de Newcomen y Cawler 5. al forzar su caída por la acción de la presión atmosférica. además de ser protagonista durante los grandes cambios generados en la revolución industrial. Al hacerlo realizaba trabajo mecánico sobre una bomba que introducía el agua que se extraía fig. Máquina de James Watt Está máquina superó a la de Newcomen y Cawler. 5: Máquina de James Watt . iniciada en Reino Unido. fig. dejando en el pasado a los barcos y botes con movimiento a velas.6. 6: Máquina de Stephenson 7. de este modo se pudieron hacer mover locomotoras. Máquinas para navegación marina. fig. generando una revolución en el transporte. Se usaron para la navegación. fig. 7: Máquina de propulsión de barcos a vapor . Máquina de George Stephenson Stephenson adaptó la máquina de Watt para hacer rotar un eje. Motores modernos.8. La segunda ley de la termodinámica tiene una fuerte presencia en el funcionamiento de los motores. 8: Motor radial para el vuelo de los aviones fig. 10: Motor Wankel . 9: Motor Stirling Alfa fig. turbinas y máquinas actuales. A continuación se muestran algunos ejemplos: fig. 12: Motor de 4 tiempos . 11: Bomba de Fango fig. fig.