Irreversibilidad

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1. Irreversibilidad en la termodinámica República Bolivariana de Venezuela Universidad Fermín Toro Decanato de Ingeniería Alumna: Luisana Hernández C.I.: 26.904.235 Saia “A” Prof.: Ing. Francisco J. Vargas. Cabudare 04/02/2017

2. ¿Qué es la Irreversibilidad? En termodinámica, el concepto de irreversibilidad se aplica a aquellos procesos que, como la entropía, no son reversibles en el tiempo. Desde esta 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.

3. Historia El físico alemán Rudolf Clausius , en los años 50 del siglo XIX, fue el primero en cuantificar matemáticamente el fenómeno de la irreversibilidad en la naturaleza, y lo hizo a través de la introducción del concepto de entropía. En su escrito de 1854 "Sobre la modificación del segundo teorema fundamental en la teoría mecánica del calor", Clausius afirma: Podría ocurrir, además, que en lugar de un descenso en la transmisión de calor que acompañaría, en el único y mismo proceso, la transmisión en aumento, puede ocurrir otro cambio permanente, que tiene la peculiaridad de no ser reversible, sin que pueda tampoco ser reemplazado por un nuevo cambio permanente de una clase similar, o producir un descenso en la transmisión de calor. Rudolf Julius Emmanuel Clausius

4. ¿Qué nos dice la Termodinámica clásica sobre las transformaciones irreversibles? Sabemos que el segundo principio de Termodinámica trata de establecer la relación entre las dos formas de transmitir energía (calor y trabajo), y que el paso de transformar calor en trabajo precisa de compensación pero el inverso no. Tan sólo con el concepto de compensación podemos dividir la totalidad de los procesos en: Procesos irreversibles: Una transformación de un sistema pasando de un estado inicial a un estado final es irreversibles si el paso del estado final al inicial es imposible sin efectuar ningún cambio a los cuerpos del entorno; esto es, el retorno precisa compensación. Procesos reversibles: Análogamente, la transformación anterior será reversible si el paso inverso no implica compensación. Es evidente que todo transformación cuasi-estática es reversible, ya que si en todo momento el sistema se encuentra en estados de equilibrio bien el camino de ida o el de vuelta, y no se modificará el entorno.

5. Importancia L a Termodinámica de los procesos irreversibles conservará una importancia considerable, comparable a la de la Termodinámica de equilibrio, a fin de distinguir entre los resultados aquellos que dependen de las hipótesis microscópicas particulares (por ejemplo, las hipótesis sobre las interacciones moleculares), de aquellos que son de validez general. Para hacernos idea de la importancia del estudio de la Termodinámica irreversible saber que el intercambio continuo de materia de los ácidos nucleicos contenidos en las células vivas con el medio que les rodea o el flujo de energía que se origina en el Sol y las estrellas y que impide a nuestra atmósfera alcanzar un estado de equilibrio termodinámico, pertenecen a este campo.

6.   ¿De dónde surge la irreversibilidad? Gran pregunta que precisa no de una sino varias respuestas y todas relacionadas con un gran tema: el origen del Universo. En primer lugar, parece claro que si un sistema aislado, experimenta una transformación adiabática de forma irreversible, su entropía irremediablemente crece. En segundo lugar, por sabemos que la entropía se relaciona con el número de micros estados. Si en nuestro sistema ha crecido la entropía, significa que el número de micro estados accesibles al sistema ha aumentado también; y de acuerdo a la definición estadística de orden y desorden, este aumento de micro estados supone un aumento del desorden. Por tanto, la fuente de la irreversibilidad es el cambio de una distribución ordenada a una más desordenada.

7. Los procesos naturales Es sabido por todos que un sistema en equilibrio termodinámico ha de estar en: E quilibrio mecánico: si no existen fuerzas desequilibradas actuando sobre parte o todo el sistema. Equilibrio térmico : cuando no hay diferencias de temperatura entre partes del sistema o entre el sistema y su entorno; y el entorno. Equilibrio químico: si no tiene lugar ninguna reacción química dentro del sistema ni existe movimiento de componente alguno de una parte del sistema a otra. Si modificamos alguna variable tal que alejamos el sistema del equilibrio, éste evolucionará hasta alcanzar de nuevo una situación de equilibrio. Veamos esta evolución cuando son procesos irreversibles : ISOTÉRMICA EXTERNA ADIABÁTICA MECÁNICA IRRREVERSIBILIDAD INTERNA TÉRMICA QUÍMICA

8. Irreversibilidad mecánica externa isotérmica Hay un gran número de procesos que suponen la transformación isotérmica de trabajo mediante un sistema (que permanece invariable) en energía interna de una fuente En esta figura a continuación se esquematiza este tipo de procesos: Para devolver al sistema y su entorno inmediato a sus estados iniciales sin producir otros cambios, deberíamos extraer Q unidades de calor de la fuente y transformarlas íntegramente en trabajo; dado que esto viola la segunda ley de la Termodinámica (enunciado de Kelvin- Plank ) y es imposible, estos procesos son irreversibles.

9. Irreversibilidad mecánica interna Los procesos en los que primero se transforma energía interna de un sistema en energía mecánica, y después en energía interna nuevamente, decimos que presentan irreversibilidad mecánica interna. Ejemplos de esto son: Expansión libre (contra el vacio ) de un gas ideal. Gas atravesando un tabique poroso. Chasquido de un alambre tenso después de cortarlo. Desvanecimiento de una película de jabón después de pincharla.

10. Pretendemos estudiar ahora, cómo varía la entropía durante un proceso irreversible. Para ello imaginemos dos estados de equilibrio de un sistema, 1 y 2. De uno a otro podemos pasar por un proceso reversible, en el que en cada instante estamos en una situación de equilibrio y podemos representarlo en un diagrama de dos variables Termodinámicas; o irreversible, el cual se representa en la figura por líneas quebradas significando que tal proceso no puede ser representado por ningún diagrama . Supongamos que el sistema pasa del estado 1 al 2 a través de un proceso reversible recibiéndo una cantidad de calor  dQ e  y efectuando un trabajo de. Según el primer principio de Termodinámica, la variación de energía interna del sistema será la suma de la energía transferida en forma de trabajo y de calor: dU = d Q e - d W e   (3) SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA PARA PROCESOS IRREVERSIBLES Hemos adoptado el siguiente criterio de signos: el calor es positivo si lo absorbe el sistema y es negativo cuando el sistema lo cede al exterior, el trabajo es positivo si lo realiza el sistema y es negativo cuando el exterior realiza un trabajo en el sistema.

11. El subíndice indica que es un proceso equilibrado; esto es, que en todo momento se encuentra en equilibrio, es reversible.Por otra parte, el sistema puede pasar de 1 a 2 por vía irreversible, recibiendo una cantidad de calor igual a  dQ y efectuando un trabajo  dW , tal que su suma sea idéntica a la variación de energía interna durante el proceso reversible ya que por ser ésta una variable de stado es independiente del camino recorrido. Por tanto, tenemos: dU = d Q- d W (4) Según (3) y (4), los calores recibidos en ambos casos serán:  dQ  e  = dU+dW  e  (5) dQ = dU+dW (6) Imaginemos que el sistema lleva a cabo la transformación cíclica tal que primero va de 1 a 2 por vía irreversible y luego vuelve al estado inicial 1 reversiblemente. Matemáticamente equivale a sustaer la primera de la segunda:d Q -d Q  e  =   d W- d W  e  (7) SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA PARA PROCESOS IRREVERSIBLES

12. PRODUCCIÓN DE ENTROPIA Veamos ahora cuál es esta producción de entropía así como su flujo, siendo éste el interés primordial de la Termodinámica de los procesos irreversibles . El cálculo de la producción y del flujo de entropía se realiza a partir de la fórmula de Gibbs : Esta ecuación, fue demostrada originalmente sólo para condiciones de equilibrio pero se postula su validez para fuera del equlibrio siempre que no se aleje mucho de éste. La interpretación física de esta fórmula básica es que en los procesos que transcurren fuera del equilibrio, aunque próximos a él, la entropía depende exclusivamente de las mismas variables independientes de las que depende en los procesos de equilibrio.

13. Los procesos irreversibles los podemos describir apropiadamente mediante dos cantidades: A finidad o fuerza generalizada, es la "fuerza" impulsora del proceso, F. No tiene porqué ser una fuerza real, sino sólo formal. En el ejemplo visto, la afinidad es la diferencia de las inversas de las temperaturas; si esta diferencia se anula, las temperaturas se igualan y ningún proceso de transferencia de energía en forma de calor tiene lugar. F lujo generalizado o velocidad, es la variación temporal de un parámetro extensivo, X, con el que caracterizamos la respuesta del sistema a la "fuerza" aplicada, J. En nuestro ejemplo, esta respuesta la caracterizamos con un calor transferido. Entonces, el flujo de entropía (variación temporal de la producción de entropía) es la suma de los productos de cada flujo con su afinidad asociada de cada proceso irreversible K que contribuye a la producción de entropía :

14. TEOREMA DE RECIPROCIDAD DE ONSAGER Fue formulado por Lars Onsager en un pionero artículo publicado en 1931 pero que no fue ampliamente reconocido hasta más de 20 años después.El teorema de reciprocidad de Onsager establece que: L ij = L ji   Lars Onsager

15. ACOPLO DE PROCESOS IRREVERSIBLES. Con el teorema de Onsager hemos establecido como se relacionan dos procesos irreversibles que contribuyen simultáneamente al aumento de la entropía de un sistema. Nos podríamos preguntar en este momento si todos los procesos irreversibles pueden interferirse entre sí . Para ello, recurrimos a Pierre Curie. Este físico francés de la segunda mitad del siglo pasado, fue uno de esos hombres que hicieron de su obra el objetivo principal de su actividad y la preocupación dominante de su vida . Se dedico a determinar fenómenos electromagnéticos. Después de estudiarlos, enunció ciertas propiedades de simetría entre causas y efectos de éstos. Pierre Curie

16. ¿Qué es el principio de simetría de Curie? Según el principio de simetría de Curie las causas macroscópicas siempre tienen los mismos elementos de simetría que los efectos que producen. Las causas y los efectos se pueden cuantificar con magnitudes físicas; las cuales, por el hecho de vivir en un espacio tridimensional pueden enterarse de las tres dimensiones de diferentes maneras. Así tenemos magnitudes escalares, vectoriales, matrices tres por tres, o tensores de orden superior (todos ellos son tensores y unos de otros se diferencian en el caracter tensorial, en como "se enteran" de las dimensiones del espacio). Atendiendo a esto, podemos renunciar el teorema de Curie como que , en un sistema isotrópico, los flujos (causas) y las afinidades (efectos) con carácter tensorial diferente no se acoplan.

17. Tenemos que tener claro que: Los procesos espontáneos observados en la Naturaleza son irreversibles. La Termodinámica clásica nos dice que para tales casos la entropía crece . La Termodinámica estadística nos permite saber que este aumento de entropía conlleva un aumento del desorden Existe una teoría específica para los procesos irreversibles, a escala macroscópica; es bastante moderna y compleja matemáticamente hablando. Los últimos avances en este campo son los procesos irreversibles fuera de la región lineal A escala microscópica, la irreversibilidad no existe. Esto conduce a una serie de elucubraciones sobre la fuente de la irreversibilidad. Conclusión