APLICACIONES APLICACIONES DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA En 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 mez clan espontáneamente para formar una solución, pero no pueden separarse sin la intervención de un agente externo. -Un cigarrillo arde desprendiendo d esprendiendo 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 e n 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 ninguna aplicación práctica pero marcó el inicio de las posteriores máquinas térmicas.
fig. 1: Eolípila de Herón
2. Pistón de Papin No fue sino hasta 1690, cuando Denis Papin , desarrolló un pistón que se movía dentro de un cilindro impulsado por vapor de agua. El pistón se eleva impulsado por el vapor y posteriormente, al enfriar el cilindro, el vapor se condensa produciendo un vacío que hace que el pistón descienda.
fig. 2: Funcionamiento del pistón de Papin 3.
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, hasta vaciar su contenido por un tubo colocado en la parte superior, controlado por una válvula. Cuando el recipiente se vacía, cesa el suministro de vapor y el vapor remanente se condensa por medio de un chorro de agua fría, lo que provoca un vacío y permite que un tubo inferior, aspire agua del pozo
fig. 3 : Funcionamiento de la máquina de Savery para bombear agua 4.
Máquina de Newcomen y Cawler La máquina de Savery fue subsecuentemente modificada de diversas maneras, todas ellas destinadas a mejorar la cantidad de agua y la altura a la que ésta podía elevarse. En 1705 Newcomen y Cawler, mejoraron la operación del pistón
al forzar su caída por la acción de la presión atmosférica. Al hacerlo realizaba trabajo mecánico sobre una bomba que introducía el agua que se extraía
fig. 4: Máquina de Newcomen y Cawler 5.
Máquina de James Watt Está máquina superó a la de Newcomen y Cawler, además de ser protagonista durante los grandes cambios generados en la revolución industrial, iniciada en Reino Unido.
fig. 5: Máquina de James Watt
6.
Máquina de George Stephenson Stephenson adaptó la máquina de Watt para hacer rotar un eje, de este modo se pudieron hacer mover locomotoras, generando una revolución en el transporte.
fig. 6: Máquina de Stephenson 7.
Máquinas para navegación marina. Se usaron para la navegación, dejando en el pasado a los barcos y botes con movimiento a velas.
fig. 7: Máquina de propulsión de barcos a vapor
8.
Motores modernos. La segunda ley de la termodinámica tiene una fuerte presencia en el funcionamiento de los motores, turbinas y máquinas actuales. A continuación se muestran algunos ejemplos:
fig. 8: Motor radial para el vuelo de los aviones
fig. 9: Motor Stirling Alfa
fig. 10: Motor Wankel
fig. 11: Bomba de Fango
fig. 12: Motor de 4 tiempos
