1r ciclo ¿ Intercambio de calor en proceso isotermo ?

[skinner]

Buenas amigos, cuánto tiempo. Aquí ando, estudiando un poquito de termodinámica. Específicamente estoy con el ciclo de Carnot, y hay alguna que otra cosita que no entiendo. Por ejemplo, la siguiente. Todos sabemos que un ciclo de Carnot está compuesto por dos procesos isotermos y dos procesos adiabáticos. Según los apuntes de mi profesor:

"[...] el proceso de absorción de calor de la máquina ha de ser isotermo. Cuando la máquina ha absorbido el calor previsto, se ha de iniciar un nuevo proceso para ceder calor al ambiente; puesto que existe una diferencia de temperaturas entre la máquina y el ambiente, el proceso hasta llegar al inicio de la cesión de calor ha de ser adiabático (y reversible, como el resto del conjunto). Cuando la máquina llega a la temperatura del ambiente, inicia la cesión de calor a la temperatura del mismo, es decir, hay un nuevo proceso isotermo de la máquina a la temperatura del ambiente; cuando se ha cedido el calor, el ciclo se cierra mediante un nuevo proceso hasta llegar a la temperatura del reservorio de calor, el cual ha de ser adiabático para evitar las irreversibilidades correspondientes a la interacción térmica entre sistemas a distintas temperaturas."

No entiendo muy bien este párrafo. ¿Cómo es posible un intercambio de calor entre dos sistemas si ambos están a la misma temperatura? ¿Por qué el proceso hasta llegar al inicio de la cesión de calor ha de ser adiabático?

Ojalá puedan ayudarme.

Un saludo amigos, felices fiestas y 2013

[jauwlfd]

Re: ¿ Intercambio de calor en proceso isotermo ?

Yo creo que se ha confundido al explicarlo, ya que en un proceso adiabático no se intercambia calor y un proceso isotermo es a temperatura constante. Yo estudié el ciclo de Carnot en tecnología industrial el curso pasado y si me acuerdo bien era el primer y el tercer proceso isotermos, donde se expandía y comprimía el gas, y el segundo y el cuarto adiabáticos, donde no se transfería calor y variaba la temperatura.

[skinner]

Re: ¿ Intercambio de calor en proceso isotermo ?

Es eso último que has dicho lo que no entiendo: "[...] donde no se transfería calor y variaba la temperatura"

Por definición, para que haya variación de temperatura debe haber una transferencia de calor, y para que haya transferencia de calor debe haber una diferencia de temperaturas.

Pero según el profesor (el bien conocido Don Carlos Gómez Camacho, por sus aportaciones y su Enunciado Ambiental(1992) equivalente al de Kelvin-Planck, y por tanto al resto), en el ciclo de Carnot, "el proceso de absorción de calor de la máquina ha de ser isotermo" (ver mi post de arriba)

En fin, a ver si pueden ayudarme.

Un saludo y gracias!!

[arivasm]

Re: ¿ Intercambio de calor en proceso isotermo ?

La clave de lo que expones está en que por una parte estamos ante un proceso cuasiestático, de manera que la transferencia de calor (y cualquier otro paso del ciclo) requiere un tiempo suficientemente largo (que es un eufemismo para decir infinito) y por otra que la masa de los focos es tal que la de la substancia que recorre el ciclo es despreciable, es decir, la del foco puede considerarse infinitamente más grande que la de la substancia de trabajo. Ambas condiciones son indispensables para que el proceso pueda darse de manera reversible.

Lógicamente, las restricciones que imponen los sistemas reales (finitud en las masas de los focos, transferencias de calor en tiempos finitos) obligarán a la existencia de diferencias de temperatura que volverán imposible la realización práctica del ciclo de Carnot (o cualquier otro que deba recorrerse de manera reversible).

Añado: Sobre el cambio de temperatura sin transferencia de calor, estás equivocado: imagínate un gas (ideal) encerrado en un recipiente con paredes adiabáticas; si lo comprimimos (es decir, transferimos energía en forma de trabajo) aumentamos su energía interna y entonces su temperatura.

[ignorante]

Re: ¿ Intercambio de calor en proceso isotermo ?

[FONT=Verdana]

Por definición, para que haya variación de temperatura debe haber una transferencia de calor

Aquí estás confundido. Como señala arivasm una variación de temperatura no es consecuencia [FONT=Verdana]exclusivamente[/FONT] de una transferencia de calor. También se puede [FONT=Verdana]provocar [/FONT]una variación de temperatura [FONT=Verdana]sin que exista una transferencia de calor [/FONT](por medio de trabajo). Por ejemplo, si te pones a golpear con un martillo una moneda, aumentará su temperatura sin que exista transferencia de calor, ya que [FONT=Verdana]de inicio [/FONT]no había diferencia de temperaturas entre el martillo y la moneda. Otro ejemplo: si te frotas las manos también hay aumento de temperatura que no es provocado por transferencia de calor, ya que de inicio, las manos estaban a la misma temperatura. En estos ejemplos el aumento de temperatura es debido a la aplicación de fuerzas, es decir, trabajo (no al calor).

y para que haya transferencia de calor debe haber una diferencia de temperaturas.

Exacto. Esto sí es correcto. Una transferencia de calor siempre es causada por una diferencia de temperaturas. Pero una variación de temperatura no siempre es causada por una transferencia de calor.[/FONT]

[Aer]

Re: ¿ Intercambio de calor en proceso isotermo ?

La clave de lo que expones está en que por una parte estamos ante un proceso cuasiestático, de manera que la transferencia de calor (y cualquier otro paso del ciclo) requiere un tiempo suficientemente largo (que es un eufemismo para decir infinito) y por otra que la masa de los focos es tal que la de la substancia que recorre el ciclo es despreciable, es decir, la del foco puede considerarse infinitamente más grande que la de la substancia de trabajo. Ambas condiciones son indispensables para que el proceso pueda darse de manera reversible.

arivasm, no me queda claro porque los procesos reversibles han de ser cuasiestáticos, por qué es necesario un tiempo infinito para que no haya irreversibilidades?, lo de la masa infinita tampoco lo entiendo. Mejor dicho no me quedan claro cuales son los requisitos que debe cumplir un proceso para ser reversible, y sobretodo por qué?... Si pudieras poner algún ejemplo me aclararía mucho

el bien conocido Don Carlos Gómez Camacho, por sus aportaciones y su Enunciado Ambiental(1992) equivalente al de Kelvin-Planck, y por tanto al resto

se te olvidó añadir "y por sus insufribles apuntes" xD

Un saludo!

[arivasm]

Re: ¿ Intercambio de calor en proceso isotermo ?

La razón por la cual los procesos termodinámicos como los que intervienen en el ciclo de Carnot deben ser cuasiestáticos es para que el sistema atraviese constantemente una sucesión de estados de equilibrio, pero no es un criterio imprescindible para la reversibilidad. Lo mismo sucede con la masa infinita, que en el ciclo de Carnot (y en muchas máquinas térmicas) es necesaria para que no se produzcan cambios en la temperatura del foco.

Con respecto a los requisitos para que un proceso sera reversible se pueden resumir en uno: que no generen entropía en el Universo. Por último, todos los ejemplos que se puedan poner para procesos reversibles son absolutamente ideales y siempre al límite de la espontaneidad, pues como sabes cualquier proceso espontáneo aumentará la entropía del Universo. De todos modos, la Física está llena de ellos: la caída (absolutamente*) libre de un cuerpo sería uno de los más inmediatos.

Conceptualmente, la idea de proceso reversible podría ser algo así como lo siguiente: si lo inviertes no se viola ninguna ley de la Física. Un elefante paseándose por una cristalería es un ejemplo de proceso irreversible: dale la vuelta al proceso y enseguida vemos que hay procesos contrarios a las leyes Físicas. Una piedra cayendo en el vacío más absoluto es un proceso reversible: le das la vuelta a la película y no hay violación de ninguna ley.

(*)Me refiero a que se produzca en ausencia de cualquier otra forma de interacción no conservativa.

[Aer]

Re: ¿ Intercambio de calor en proceso isotermo ?

Entiendo, entonces el problema de no pasar por estados siempre en equilibrio, es que si hay estados de inequilibrio, estos tienden en su evolución al equilibrio, y al darle marcha atrás estarías yendo de estados más "equilibrados" a menos "equilibrados", violando las leyes físicas... es así?

Con las temperaturas pasaría algo parecido y si hay diferencias de temperaturas, el calor siempre se transmite desde los focos a mayor temperatura a los de menor, luego si invertimos la película se violan las leyes físicas, vamos es imposible revertir el proceso.

Esto se consigue cuantificar gracias a la entropía.

¿Lo entendí bien?

Por otro lado, sigo con la duda original del post. En los procesos reversibles, las transferencias de calor se deben dar entre focos a misma temperatura, pero si están a la misma temperatura no hay transferencia de calor!.

Por lo que he entendido al leer el post, en resumen se podría decir que, en efecto esto no es posible, pero es que es así, los procesos reversibles son imposibles, para que fuese reversible necesitaríamos que la transferencia de calor se diese a la misma temperatura para que "al invertir la película" no se violasen las leyes físicas (vamos que fuese posible).
¿Entonces para qué sirven estos procesos reversibles?
Pues como procesos que establecen los límites termodinámicos teóricos.

Luego, en la práctica, en una transferencia de calor isoterma necesariamente debe haber una diferencia de temperaturas, pero prácticamente despreciable (es esto así?), y la masa del foco debe ser suficientemente grande para que al transmitir calor su variación de temperatura sea despreciable (aunque la hay).

Entonces creo que por fin veo un ejemplo que me aclara mucho como sería una transmisión de calor isoterma (a ver si es correcto), para el que tenga dudas creo que se aclarará si este ejemplo es correcto.

Podemos imaginar una transferencia de calor isoterma de la siguiente manera:

Desde el foco, suficientemente grande para que no varíe su temperatura, hay una transferencia de calor hacia nuestro sistema, que está a una temperatura menor (solo apreciable de forma diferencial, pues a fines prácticos están a misma temperatura)
Esta energía que se transfiere no debe utilizarse en aumentar la temperatura del cuerpo, podemos imaginar que se usa para expandir por ejemplo un gas.
Puede que en algunos instantes la temperatura de nuestro sistema supere a la del foco , pero como el gas se está expandiendo baja la temperatura y vuelve la transmisión de calor desde el foco al sistema, todo esto por supuesto despreciable, a fines prácticos están a la misma temperatura. (Nosotros establecemos estos límites que establecen qué consideramos diferencial, según los resultados que deseemos y lo que nos queramos aproximar a un proceso reversible)

A ver si he entendido correctamente las ideas propuestas.
Un saludo

[arivasm]

Re: ¿ Intercambio de calor en proceso isotermo ?

Encuentro correcto lo que escribes. Mejor dicho: coincide con cómo veo yo el tema!

Quizá la única matización sería la de que encuentro peligroso para un estudiante (estoy pensando en exámenes y cosas así) decir que los procesos reversibles son imposibles, entiendo que lo correcto sería afirmar que de acuerdo con las leyes de la Física son posibles, aunque en la práctica no haya forma de realizarlos, pues inevitablemente habrá condiciones (tales como rozamientos -o en general pérdidas energéticas en forma de calor-, o estados intermedios de desequilibrio -como bien indicas-) que aparten el proceso de una evolución ideal reversible. Por supuesto, al hablar así estoy pensando en procesos termodinámicos, pues entre los procesos que no solemos situar en la Termodinámica (y el ejemplo de la caída libre es uno) es más fácil encontrar ejemplos que incluso en la práctica están muy próximos a la reversibilidad.

[Aer]

Re: ¿ Intercambio de calor en proceso isotermo ?

arivasm, no entiendo a que te refieres con el ejemplo de la caída libre, no se violan las leyes porque en el vacío más absoluto no está cayendo?

- - - Actualizado - - -

A ver, creo que por fin he encontrado mis ejemplos que me terminan de aclarar y me sirven como referencia:

Ejemplo de proceso irreversible, todos los procesos reales que ocurren:
-Piedra que cae al suelo desde una cierta altura. Si tratas de invertir el proceso, es imposible, pues la piedra no se va a levantar sola en contra del campo gravitatorio.

Ejemplo de proceso reversible:
idealización, en la realidad no existen:
Calentamiento de un gas ideal, al calentarlo hasta una cierta temperatura estando encerrado en un volumen fijo, su presión aumenta.
Si revertimos el proceso es decir lo enfriamos hasta la temperatura original, vuelve exactamente a las mismas condiciones iniciales, con la misma presión inicial.

Ahora bien, aunque no existen estrictamente, cuando un gas real presenta comportamiento ideal, a bajas presiones y temperaturas moderadas, aunque no vuelve exactamente a la misma presión inicial tras realizar este proceso si que vuelve a una presión muy cercana a la inicial, y podemos en ciertos casos considerarlo como reversible.

Creo que son correctos.
Un saludo

- - - Actualizado - - -

Lo que me liaba, es que en muchos sitios leía, "movimiento sin fricción" y me imaginaba pues el ejemplo de la piedra cayendo, pero claro no veía como podías revertir el proceso, aunque ahora que lo pienso mejor, en teoría como toda la energía potencial se te convierte en cinética, si pudieses redirigir (no había caído en que esto fuese válido) toda esa energía cinética sin que se disipase volverías al mismo punto. Visto de esta sería reversible. Creo que empiezo a entenderlo

[arivasm]

Re: ¿ Intercambio de calor en proceso isotermo ?

En el ejemplo de la piedra cayendo ten en cuenta que al invertir el proceso también ser invierten las velocidades: en ausencia de fricciones el proceso es reversible.

[Breogan]

Re: ¿ Intercambio de calor en proceso isotermo ?

Hola:

Luego, en la práctica, en una transferencia de calor isoterma necesariamente debe haber una diferencia de temperaturas, pero prácticamente despreciable (es esto así?), y la masa del foco debe ser suficientemente grande para que al transmitir calor su variación de temperatura sea despreciable (aunque la hay).

Entonces creo que por fin veo un ejemplo que me aclara mucho como sería una transmisión de calor isoterma (a ver si es correcto), para el que tenga dudas creo que se aclarará si este ejemplo es correcto.

Podemos imaginar una transferencia de calor isoterma de la siguiente manera:

Desde el foco, suficientemente grande para que no varíe su temperatura, hay una transferencia de calor hacia nuestro sistema, que está a una temperatura menor (solo apreciable de forma diferencial, pues a fines prácticos están a misma temperatura)
Esta energía que se transfiere no debe utilizarse en aumentar la temperatura del cuerpo, podemos imaginar que se usa para expandir por ejemplo un gas.
Puede que en algunos instantes la temperatura de nuestro sistema supere a la del foco , pero como el gas se está expandiendo baja la temperatura y vuelve la transmisión de calor desde el foco al sistema, todo esto por supuesto despreciable, a fines prácticos están a la misma temperatura. (Nosotros establecemos estos límites que establecen qué consideramos diferencial, según los resultados que deseemos y lo que nos queramos aproximar a un proceso reversible)

Creo que hay una confusión, cuando hablamos de una transformación isotérmica lo que decimos es que independientemente de la temperatura de nuestro foco, sea esta variable o no, la temperatura de los elementos del sistema en estudio no varia durante el tiempo que dura este tipo de transformación.

Si calentas un recipiente con gas, el calor entregado puede ser transformado en un aumento de temperatura o presión o volumen o una combinación particular de ellos, de ahí salen los distintos tipos de transformaciones (que no dependen de la temperatura o tamaño del foco):
isobara, isoterma, isocora, etc.

Suerte