La segunda ley de la termodinámica

            Afirma que los procesos corren en una dirección determinada y que la energía tiene calidad y cantidad. Esta dirección siempre es la de buscar la entropía ya que la energía siempre fluye de un lugar con mayor energía a uno con menor. Por ejemplo, un objeto caliente dentro en un ambiente frio siempre perderá calor, nunca lo ganara aunque esto no viole la primera ley.

            Un depósito de energía es aquel que puede almacenar grandes cantidades de calor sin cambiar su temperatura. Estos depósitos pueden ser fuentes o sumideros y la diferencia entre ellos es que los primeros otorgan calor mientras que los segundos lo absorben.

            Una maquina térmica es un dispositivo empleado para convertir el calor en trabajo ya que es muy difícil que esto ocurra de manera natural. Por ejemplo, una turbina nunca se movería solo con calentar el agua pero este proceso es muy común en sentido inverso, es decir; una turbina que gira en un depósito de agua convierte su trabajo en calor.

-Tienen las siguientes características:
-Reciben calor de una fuente a altas temperaturas
-Convierten parte de ese calor en trabajo
-El calor de desecho (que no se ha transformado) es rechazado al sumidero
-Operan en un proceso cíclico.

Para poder transportar este calor a través de la maquina utilizamos un fluido denominado fluido de trabajo.

            La maquina mas conocida que opera de esta manera consta de cuatro elementos: 

-Una caldera (Fuente)
-Una turbina (Trabajo de salida)
-Un condensador (Sumidero)
-Una bomba (trabajo necesario para aumentar la presión para la caldera).

            Para nuestra visión de economía y eficiencia, el trabajo neto que entrega la planta es igual al trabajo de salida de la turbina menos el trabajo que debemos invertir en la bomba el cual también es igual al calor suministrado al sistema.

W_neto       =       W_salida - W_entrad       =       Q_entrada - Q_salida

            La eficiencia la calculamos del cociente del trabajo neto sobre el calor total que invertimos.

N      =     W_{neto /}   Q_entrada      =      1 - Q_salida / Q_entrada

Para generalizar el análisis de todas las maquinas térmicas establecemos los conceptos de Q_h que es la transferencia de calor entre la maquina y el deposito de alta temperatura y Q_l que es la transferencia entre la maquina y el deposito de baja temperatura.

            Un refrigerador es una maquina de calor que realiza la función de transportar calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura. Estos dispositivos constan de los siguientes elementos:

Un evaporador que recoge el calor del medio frio (Q_L)
Un compresor que comprime el fluido y requiere un trabajo (W_ent)
Un condensador (Saca el calor Q_H al ambiente)
Una válvula de estrangulamiento para disminuir la temperatura y presión drásticamente.

            El coeficiente de desempeño de un refrigerador esta en función de su objetivo y se calcula:

COP_R  =  Q_l /  W_ent

Recordemos que W_net  =  Q_H - Q_L

Por lo tanto:

COP_R  =  1 / ((Q_h / Q)_L  -1)

            Una bomba de calor funciona igual que un refrigerador pero su objetivo es el de entregar calor a un espacio caliente para mantenerlo asi absorbiéndolo de un espacio frio. Por l otanto su COP cambia.

COP_B  = Q_l /  W_ent  =  1 / (1- (Q_L / Q_H))  =  1 + COP_R

                Un proceso reversible es un proceso idealizado el cual puede invertirse sin dejar secuelas ni dentro de el ni fuera de él. O sea que ambos medios vuelven a sus estados iniciales.

            El ciclo de Carnot es uno reversible que consta de dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos

1-2 Expansión isotérmica
2-3 Expansión adiabática
3-4 Compresión isotérmica
4-1 Compresión Isotérmica

            Este ciclo es reversible para lo cual obtenemos: