REVERSIBILIDAD, IRREVERSIBILIDAD Y CALOR

 Introducción

Un proceso es reversible si, después de que ocurre, tanto el sistema como entorno pueden, por cualquier medio posible, regresar a sus estados original. Cualquier otro proceso se conoce como irreversible.

Los procesos reversibles son importantes porque proporcionan el trabajo Máximo para dispositivos que producen trabajo, y el trabajo mínimo de entrada a di positivos que absorben trabajo para operar. Para estos dispositivos y muchos otros, los procesos reversibles son normas de comparación. Para determinar si i proceso es reversible, es necesario aplicar la segunda ley.

Muchos otros efectos tales como un flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia son también irreversibles pero no se describen aquí. En todos los casos, la prueba de reversibilidad involucra la aplicación de la segunda ley de la termodinámica.

PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

Los procesos reales se producen en una dirección preferente. Es así como el calor fluye en forma espontánea de un cuerpo más cálido a otro más frío, pero el proceso inverso sólo se puede lograr con alguna influencia externa. Cuando un bloque desliza sobre una superficie, finalmente se detendrá. La energía mecánica del bloque se transforma en energía interna del bloque y de la superficie.

Estos procesos unidireccionales se llaman procesos irreversibles. En general, un proceso es irreversible si el sistema y sus alrededores no pueden regresar a su estado inicial.Por el contrario, un proceso es reversible si su dirección puede invertirse en cualquier punto mediante un cambio infinitesimal en las condiciones externas. Una transformación reversible se realiza mediante una sucesión de estados de equilibrio del sistema con su entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino. Reversibilidad y equilibrio son, por tanto, equivalentes. Si un proceso real se produce en forma cuasi estática, es decir lo suficientemente lento como para que cada estado se desvié en forma infinitesimal del equilibrio, se puede considerar reversible. En los procesos reversibles, el sistema nunca se desplaza más que diferencialmente de su equilibrio interno o de su equilibrio con su entorno. Si una transformación no cumple estas condiciones es irreversible.

En la realidad, las transformaciones reversibles no existen, ya que no es posible eliminar por completo efectos disipativos, como la fricción, que produzcan calor o efectos que tiendan a perturbar el equilibrio, como la conducción de calor por diferencias de temperatura. Por lo tanto no debe sorprender que los procesos en la naturaleza sean irreversibles. El concepto de proceso reversible es de especial importancia para establecer el límite teórico de la eficiencia de las máquinas térmicas.

Proceso reversible

Se denominan procesos reversibles a aquellos que hacen evolucionar a un sistema termodinámico desde un estado de equilibrio1 inicial a otro nuevo estado de equilibrio final a través de infinitos estados de equilibrio.De una manera simplificada, se puede decir que un proceso reversible es aquel proceso que, después de ser llevado de un estado inicial a uno final, puede retomar sus propiedades originales.

Estos procesos son procesos ideales,2 ya que el tiempo necesario para que se establezcan esos infinitos estados de equilibrio intermedio sería infinito.

La variación de las variables de estado del sistema,3 entre uno de estos estados de equilibrio intermedio y el sucesivo es una variación infinitesimal, es decir, la diferencia que hay entre el valor de una de las variables en un estado y el siguiente es un infinitésimo

Un proceso reversible es aquel en que se puede hacer que el sistema vuelva a su estado original, sin variación neta del sistema ni del medio exterior.

Un proceso será reversible cuando tenga lugar a través de una sucesión de estados de equilibrio (proceso cuasiestático) y no existan efectos disipativos. En tales condiciones, el proceso podrá invertirse volviendo los sistema sinteraccionantes a la situación inicial sin otros cambios.çla aplicación del enunciado de Kelvin – Plank a diferentes procesos conduce a importantes resultados. Consideremos, por ejemplo, una reacción química entre gases perfectos:

A + B = AB

Que tenga lugar a presión y temperatura constantes (por ejemplo, en contacto con la atmósfera). Partiendo de A y B, la reacción avanza hasta que se alcanza la situación de equilibrio químico. En estas condiciones cada gas ejerce una presión parcial, Pk, idéntica a la que ejercería el volumen de la mezcla si estuviera él solo a la temperatura en cuestión. Si es Nk el número de moles del gas k, la presión parcial será:

Y la presión total de todos los gases:

Dividiendo la ecuación (4) entre la ecuación (5) resulta:

Donde xk es la fracción molar del gas k, definida por:

En la situación de equilibrio existe una relación entre las fracciones molares, la presión y la temperatura, que recibe el nombre de ley de acción de masas. Mediante un ngenioso argumento debido a Van Hoff, el enunciado de Kelvin – Plank conduce a esta relación.

Supongamos que existen membranas semipermeables que se comportan de la siguiente forma: cuando dos gases se separan por una membrana semipermeable a uno de ellos, tiene lugar un proceso de paso de un gas a una u otra parte de la membrana hasta que se establece un estado de equilibrio caracterizado porque las presiones parciales a ambos lados de la membrana son idénticas. Por ejemplo, el platino al rojo es una membrana semipermeable al hidrógeno.

Tomemos tres de tales membranas semipermeables para A, B y AB, respectivamente y procedamos a obtener de forma reversible un mol de AB a la presión P, a partir de un mol de A y un mol de B a la presión P. En la figura adjunta viene esquematizado el procedimiento.

Los pasos a seguir en el desarrollo del proceso son:

1º) Pasamos los gases A y B de la presión P a las presiones PA y PB, respectivamente, mediante una compresión reversible e isoterma. En esas condiciones, el trabajo realzado será:

2º) A continuación, colocamos los gases A y B en contacto con el sistema en equilibrio a través de paredes semipermeables. Si introducimos los gases A y B manteniendo en todo momento constantes las presiones PA y PB y sacamos gas AB a la presión parcial PAB, habremos obtenido un mol de AB a partir de un mol de A y un mol de B. El trabajo realizado en este caso será:

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