Capítulo 12: 2da Ley de la Termodinámica y Entropía
2da Ley de
7) 2da
Ley de
La 1ra
Ley muestra la conservación de la energía; la equivalencia entre W y Q para
cambiar U, o sea, son indistinguibles, en ese sentido para un observador dentro
del sistema. Sin embargo, el conocimiento de W y Q demanda MAS, por ejemplo, la
2da Ley de
7,1) Máquinas Térmicas y la 2da Ley de
Una máquina
térmica, MT, es un dispositivo capaz de convertir energía térmica (calor) en
otras formas de energía: Energía eléctrica o mecánica, por ejemplo.
Podemos
esquematizar una MT de la siguiente forma,
Como indica la
figura,
La eficiencia,
e, de
De la 2da
ley se desprende que, debido a que Qf < Qc, entonces, e < 1, esto es, no todo el Q se puede transformar en W.
Esta es la llamada forma de Kelvin – Planck para la 2da Ley.
¿? Determine la eficiencia de diversas MT, motor de
auto, diesel, OTTO, STIRLING, etc.
El artículo publicado ayer sobre la eficiencia del
motor de combustión ha generado mucho debate, entre el coche de
combustión y el coche eléctrico,
en la pequeña comunidad de Motorpasión Futuro, por cierto con algunos
comentarios muy interesantes y enriquecedores. La verdad es que ayer el
artículo versaba sobre la eficiencia de los motores, no sobre la eficiencia de
los coches, que aunque están directamente relacionadas, no son exactamente
iguales.
Por ejemplo porque a igualdad de motor,
el diseño del coche, con mejor o peor aerodinámica, puede variar mucho la
eficiencia final del coche. Para dejar claros los conceptos desde el primer
momento, vamos a recordar cuál es la definición de eficiencia. Hablando de motores, como máquinas termodinámicas que
son, y hablando de consumo de energía, debe estar claro que hablamos de
eficiencia física, o si lo preferís, eficiencia energética.
Esto es la relación entre la energía
útil (o energía obtenida) y la energía consumida (o energía suministrada).
También se puede definir como la relación entre el trabajo útil obtenido con el
funcionamiento de la máquina y el trabajo consumido por la máquina. Por cierto,
eficiencia y rendimiento son equivalentes.En este artículo veremos la cantidad de energía que consume un coche con
motor de combustión y un coche con motor eléctrico para circular 100 km.
Hacer el
mismo trabajo y consumir menos energía
Para que nos entendamos mejor, un coche
será tanto más eficiente, cuanta menos energía consuma para realizar el mismo
trabajo, en este caso, moverse una distancia de 100 km. Así que lo mejor para
ver si tal o cual coche es más eficiente, es ver cuál es su consumo real de energía.
Para que la comparativa sea lo más
correcta posible, deberíamos de tomar el mismo coche con diferentes motores, con el mismo diseño y
aerodinámica, la misma masa, los mismos neumáticos, y realizar una prueba de
conducción real en el mismo trayecto o circuito, con las mismas condiciones de
tráfico y meteorología.
Como eso ahora mismo no es posible
(queda planteada la cuestión a Javier Costas) vamos a hacer una comparativa
aproximada, pero eso sí, lo más aproximada y rigurosa posible. Con las cifras
numéricas que vamos a manejar veréis que el margen de error permite dar por
razonable la comparativa.
Hablamos de
energía, o sea Julios
El consumo de un coche con motor de
combustión, gasolina o diésel, al menos en Europa, acostumbramos a darlo en litros/100 km. El consumo de un coche
eléctrico se expresa en kWh/100 km. De buenas a primeras ni podemos
compararlos, ni podemos hacernos una idea de cuál es mayor o menor.
Por tanto hay que expresar ambos en las
mismas unidades de energía. En el sistema internacional eso es el julio (J), o
bien el megajulio (MJ), un millón (10 a la 6) de julios. Empecemos por los
motores de combustión interna:
·
Un litro de gasolina viene a tener una
energía de entre 32,18 MJ y 34,78 MJ.
·
Un litro de gasóleo (diésel) viene a tener
una energía de entre 35,86 MJ y 38,65 MJ.
No se puede dar una cifra exacta porque
no todas las gasolinas ni gasóleos son iguales, la densidad de la gasolina y la
densidad del gasóleo no son idénticas en todas partes, y varían ligeramente,
variando por tanto la cantidad de energía que acumula ese litro de carburante.
Observaréis que el gasóleo viene a
tener entre un 10 y un 11% más de energía por litro que la gasolina (esto
explica en parte porqué un coche diésel gasta menos litros que un coche de
gasolina).
Para el motor eléctrico la conversión es más
rápida y exacta: 1 kWh son 3,6 MJ.
Veamos lo que
consume cada versión
Como expliqué antes, para intentar que
las condiciones sean lo más parecidas posibles, vamos a comparar los consumos
de un mismo modelo de coche. Como tuve ocasión de conducir y comprobar el
consumo real de un Renault Fluence
Z.E. en Lisboa y alrededores, lo compararé con un Renault Fluence de gasolina y con
un Fluence diésel.
Vamos a intentar considerar consumos lo
más reales posibles, y no los teóricos. Tomaré los consumos reales del Fluence
eléctrico y para los Fluence térmicos (de motor de combustión interna) me iré a Spritmonitor a ver datos medios de
consumos reales.
Los modelos de Fluence de motor de combustión que
tomo para la comparativa son los más similares por prestaciones y potencia al
eléctrico, que están disponibles en España.
·
Renault Fluence gasolina 1.6 16 v 110 CV, cambio manual, ya que
en España no está disponible con cambio automático (que sería lo más justo para
la comparativa). El consumo mixto según homologación es de 6,8 l/100 km, pero
el consumo real medio según Spritmonitor es de 7,6 l/100 km.
·
Renault Fluence diésel 1.5 dCi 110 CV, cambio automático. El
consumo mixto según homologación es de 4,4 l/100 km, pero el consumo real medio
según Spritmonitor es de 5,7 l/100
km (el dato es del manual, ya que no encuentro el automático, pero
voy a darlo por bueno).
El consumo de un Renault Fluence Z.E. (eléctrico) varía según las condiciones
(cosa que también sucede en un coche con motor de combustión, entre ciudad y
carretera, aunque de manera inversa):
·
En ciudad, conduciendo tranquilamente,
me hacía 14,4 kWh/100km.
·
En autopista a 120 km/h, me hacía 18,5 kWh/100 km (este dato me
parece muy adecuado para tomar como consumo medio).
·
En el peor de los casos contemplados
por Renault, alta velocidad y gran consumo de calefacción o aire acondicionado,
la autonomía se puede quedar en solo 80 km. Como la batería almacena 22 kWh,
eso significaría un consumo de 27,5 kWh/100 km.
Por cierto, un último apunte: el
Renault Fluence eléctrico pesa casi 300 kg más que un Fluence térmico, lo cual
lo sitúa en una posición algo más desfavorable en la comparativa.
Comparemos la
energía consumida por cada uno
·
Renault Fluence gasolina: 7,6 l/100 km equivalen a 244,57 MJ/100 km – 264,33 MJ/100
km (recordad la horquilla).
·
Renault Fluence diésel:
5,7 l/100 km equivalen a 204,40
MJ/100 km – 220,31 MJ100 km.
·
Renault Fluence eléctrico: 18,5 kWh/100 km equivalen a 66,6 MJ/100 km.
El coche eléctrico, aún pesando casi
300 kg más, y por tanto viéndose obligado a realizar algo más de esfuerzo o
trabajo para moverse esos 100 km de distancia, consume 3,67 – 3,97 veces menos
que el coche con motor de gasolina y 3,07 – 3,31 veces menos que el coche con
motor diésel.
O sea, un coche eléctrico consume casi la cuarta parte que un coche de gasolina,
y la tercera parte que un coche diésel.
Incluso en la situación más desfavorable del
coche eléctrico, este sigue consumiendo menos: 27,5 kWh/100 km equivalen a 99 MJ/100 km. Este consumo sigue
siendo la mitad del
consumo del diésel.
¿Cuál es el coche más eficiente: el de
combustión interna o el eléctrico?
PS a: Hay motores de gasolina más eficientes que el 1.6 16 v 110 CV del
Fluence. Renault ha presentado en el nuevo Mégane 2012 el
motor 1.2 Energy TCe 115 CV, con un consumo mixto de 5,3 l/100 km. En el
Fluence, al ser un poco más grande y pesado, el consumo podría ser de 5,4 l/100
km. El consumo real, aplicando la misma diferencia porcentual que hay entre el
consumo teórico y el real del 1.6, podría ser de 6,03 l/100 km,
aproximadamente, lo que equivale a 194,05 MJ/100 km – 209,72 MJ/100 km. El
eléctrico sigue consumiendo 2,91 – 3,15 veces menos (y en la situación más
desfavorable sigue consumiendo la mitad).
PS b: Fijaos en que un motor de gasolina muy eficiente consume la misma
cantidad de energía, o ligeramente menos, que un motor diésel.
PS c: Por cierto, si queréis meter en el debate también a los coches
eléctricos de pila de combustible de hidrógeno, no olvidéis tener en cuenta que
su eficiencia viene a ser la mitad que la de los coches 100% eléctricos.
¿? Que variedad de MT existen.
¿? Cuál es el enunciado de R. Clausius de la 2da
Ley.
7,2) Procesos Reversibles e Irreversibles
Un proceso es
reversible cuando un sistema termodinámico y los exteriores retornan a sus
condiciones iniciales al final del proceso. Un proceso irreversible es lo
contrario, esto es, una vez terminado el proceso el sistema o los exteriores no
seguirán en sus condiciones iniciales.
En la naturaleza todos los procesos son irreversibles.
¿? Porqué la naturaleza permite procesos
irreversibles.
Desde la perspectiva
termodinámica, todos los procesos naturales son irreversibles. El fenómeno de
la irreversibilidad resulta del hecho de que si un sistema termodinámico de
moléculas interactivas es trasladado de un estado termodinámico a otro, ello
dará como resultado que la configuración o distribución de átomos y moléculas
en el seno de dicho sistema variará.
Cierta cantidad de "energía
de transformación" se activará cuando las moléculas del "cuerpo de
trabajo" interaccionen entre sí al cambiar de un estado a otro. Durante
esta transformación, habrá cierta pérdida o disipación de energía calorífica,
atribuible al rozamiento intermolecular y a las colisiones.
Lo importante es que dicha
energía no será recuperable si el proceso se invierte.
¿? Conoce algunos procesos aproximadamente
reversibles.
¿? En las MT los procesos son reversibles o
irreversibles.
PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES.
El calor fluye en forma espontánea de un cuerpo más caliente hacia uno más frío cuando se ponen en contacto, pero el procesos inverso sólo se puede lograr por medio de una influencia externa. Cuando un bloque se desliza sobre una superficie áspera, finalmente se detendrá. Dichos procesos unidireccionales se llaman procesos irreversibles. Un PROCESO es IRREVERSIBLE si el sistema y sus alrededores no pueden regresarse a su estado inicial.
Un sistema puede
ser REVERSIBLE si el sistema pasa de un estado inicial a un estado final a
través de una sucesión de estados de equilibrio. Si un proceso es real ocurre
en forma cuasiestática, es decir, lo suficientemente lento como para que cada
estado difiera de modo infinitesimal del equilibrio, se puede considerar
reversible.
Como un proceso
reversible se define por una sucesión de estado de equilibrio se puede
representar por una curva en un diagrama de PV, en
la cual se establece la trayectoria del proceso. Cada punto sobre la curva
representa uno de los estado de equilibrio intermedios. Por otro lado, un
proceso irreversible es aquel que pasa de un estado inicial a uno final a
través de una serie de estados de no-equilibrio. En este caso, sólo los estado
inicial y final se pueden representar en un diagrama de PV. Los estados intermedios, de no
equilibrio pueden tener volúmenes bien definidos, pero estos estados no están
caracterizados por una presión única para todo el sistema. En lugar de ello,
existen variaciones en la presión (y temperatura) a través del rango de volumen
y estas variaciones no persistirán si se dejan en libertad (es decir,
condiciones de no equilibrio). Por esta razón, no es posible representar con
una línea un proceso irreversible en un diagrama de PV.
7,3) La máquina de Carnot
Es una MT
ideal basada en un ciclo reversible ideal de tal forma que su eficiencia
delimita la eficiencia de una MT real, trabajando entre los mismos focos de
temperatura,
El ciclo
reversible ideal que usa
La eficiencia de la máquina de Carnot es,
¿? Como se puede mostrar que
Ciclo de Carnot
¿? Porqué los
calores son proporcionales a las temperaturas absolutas de los focos.
- La relación es
que la temperatura mide la concentración de energía o de velocidad
promedio de las partículas y el calor energía térmica en tránsito.
- La temperatura es independiente de la cantidad de sustancia, el calor en cambio depende de la masa, de la temperatura y del tipo de sustancia.
¿? Existen otras MT con eficiencia comparable a
Representación en un diagrama T-S
El ciclo de
Carnot adopta una representación especialmente sencilla si en lugar de un
diagrama pV se representa en uno TS que tiene por eje de abscisas la entropía del
sistema y por eje de ordenadas la temperatura de éste.
En un diagrama TS, los
procesos isotermos son simplemente rectas horizontales. Los procesos
adiabáticos que, por ser reversibles, son a entropía constante, son rectas
verticales. Esto quiere decir que a un ciclo de Carnot le corresponde
simplemente un rectángulo, independientemente de que el ciclo sea producido
actuando sobre un gas ideal o sobre cualquier otro sistema.
En este diagrama el calor absorbido Qc es el
área del rectángulo delimitado por el lado superior del ciclo y el eje de
abscisas, mientras que el calor cedido | Qf | es el
área del rectángulo definido por el lado inferior del ciclo y el eje de
abscisas. El calor neto, | Qc | − |Qf | , que
entra en el sistema es el área del rectángulo delimitado por el ciclo. Por el
Primer Principio, este área equivale al trabajo neto efectuado por el sistema, | W | .
Si en vez de una máquina de Carnot tenemos un refrigerador de Carnot, la figura es exactamente la misma, solo que se recorren en sentido opuesto.
¿? Será posible usar
Si
será posible siempre y cuando los datos se encuentren en el sistema
internacional.
¿? En que consiste la 3ra Ley de
El tercer principio de la termodinámica o tercera ley de la termodinámica, más
adecuadamente Postulado de Nernst afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en
un número finito de etapas. Sucintamente, puede definirse como:
·
Al llegar al cero absoluto, 0 K, cualquier proceso de un sistema físico se
detiene.
·
Al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y constante.
7,4) Entropía, S
Es la función de estado termodinámico que describe el grado de desorden del sistema.
Debido a que es una función de estado los cambios de entropía, DS º Sf – Si, sólo dependerán de los estados inicial- final.
La definición
de Clausius del cambio
infinitesimal de la entropía, cuando un sistema termodinámico desarrolla un
proceso infinitesimal, siguiendo una trayectoria reversible a la temperatura T,
transfiriéndole una cantidad de energía dQr es,
Esta definición conduce a dos resultados interesantes: primero, en los sistemas aislados la entropía aumenta, esto es, el desorden del sistema aumenta (mecánica estadística) y, como veremos, la entropía del universo aumenta en todos los procesos.
Segundo, ahora, un cambio macroscópico de la entropía, finito, resulta,
Esto conduce a
que DS
º O, en procesos
cíclicos,
Caso especial: Ciclo de Carnot DS º 0.
¿? Los procesos reversibles no cambian la entropía del universo. Los procesos irreversibles sí cambian la entropía del universo.
La entropía total del universo siempre crece, ya que cuando se da un proceso reversible (aunque realmente no se dan porque son procesos ideales) la entropía del universo se mantiene constante, pero cuando se dan procesos irreversibles la entropía siempre crece.
¿? A que se denomina muerte térmica del universo.
El universo
funciona gracias a que hay energía aprovechable. Es decir, aún queda energía en
el universo que puede ser utilizada como trabajo mecánico, fundamental (entre
otras cosas) para sostener la vida.
Sin embargo, "la energía no se crea ni se
destruye, sólo se transforma". La energía utilizada tiene que irse a algún
lado; el trabajo mecánico es sólo una transferencia de energía. Y gran parte de
esa energía, lamentablemente, se pierde; es decir, se transforma en una clase
de energía que no puede ser aprovechada como trabajo.
¿Cómo ocurre esto?
Sencillamente
la energía se dispersa tanto, calentando el universo a su paso (aunque en una
ínfima cantidad), que ya no se puede recoger para usar.
Ahora recuerda la segunda ley: para aprovechar
energía en forma de trabajo, se necesita inyectar *más* energía aun; esta
energía extra también se perderá, de la misma forma que la anterior.
Si este proceso sigue, toda la energía
aprovechable en el universo acabará por dispersarse a una forma imposible de
aprovechar; lo único que habremos logrado al final será calentar el universo.
Cuando se llegue a ese estado ya no podrá ocurrir nada de nada: ni movimiento,
ni cambios de ninguna clase, ni mucho menos vida, porque todo requiere un gasto de energía. Eso, justamente, es lo que se denomina
"muerte térmica del universo".
Comentarios
Publicar un comentario