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EL SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

Rudolf Julius Emanuel Clausius

Físico Alemán que nació en Köslin, Pomerania (ahora Koszalin, Polonia) el 2 de enero de 1822 y murió en Bonn el 24 de agosto de 1888.

Clausius fue principalmente un físico teórico, ya que se dedicó a explicar las observaciones y experimentos efectuados por otros. Sus trabajos versaron principalmente sobre física molecular y termodinámica. Fue profesor de las universidades de Berlín, Zurich y Bonn.

Presentaremos a continuación un breve resumen de su trabajo.

Cuando un cuerpo cualquiera cambia de volumen, al mismo tiempo, por regla general, se produce o consume trabajo mecánico. Pero en la mayoría de los casos no es posible determinar éste con exactitud, porque junto con el trabajo exterior se produce también comúnmente un trabajo interior desconocido. Para sortear este inconveniente, Carnot empleó el ingenioso método, ya mencionado anteriormente, de hacer experimentar al cuerpo diferentes transformaciones consecutivas, ordenadas de tal manera que al final vuelva exactamente a su estado primitivo. Entonces, si en alguna de las transformaciones se ha realizado trabajo interior, éste debe de quedar exactamente anulado por el de las otras, y se tendrá la seguridad de que el trabajo exterior que eventualmente se produzca en las transformaciones será también el trabajo total. Clapeyron ha representado muy claramente este método en forma gráfica, y nosotros utilizaremos por ahora esta representación para los gases permanentes, si bien con una pequeña modificación, condicionada por nuestro principio.

FIGURA 1

En la adjunta figura la abscisa oe representa el volumen, y la ordenada ea la presión de la unidad de peso de un gas, en un estado cuya temperatura sea igual a t. Admitamos ahora que el gas se encuentra en un recipiente dilatable, pero con el cual no pueda, sin embargo, intercalar calor. Entonces, si lo dejamos dilatar en este recipiente, y no le comunicamos nuevo calor, su temperatura disminuirá. Para evitar esto, pongámoslo en contacto, durante la dilatación, con un cuerpo A, manteniéndolo a temperatura constante, y que le comunique siempre al gas la cantidad de calor necesaria para que su temperatura permanezca igualmente con el valor f. Durante esta dilatación a temperatura constante la presión disminuye de acuerdo con la ley de Mariotte, y la podemos representar por las ordenadas de la curva ab, que es un segmento de hipérbola equilátera. Cuando el gas aumente de volumen, en esta forma desde oe hasta of, quitemos el cuerpo A, y, sin que pueda recibir más calor, dejemos continuar la dilatación. Entonces la temperatura descenderá y por lo tanto la presión disminuirá más rápidamente que antes; la ley según la cual esto ocurre está representada por la curva bc. Una vez que el volumen ha aumentado de of a og, con lo cual su temperatura ha descendido de t hasta r comencemos a comprimirlo nuevamente para llevarlo a su volumen inicial oe. Si al hacer esto lo abandonamos a sí mismo, su temperatura aumentará de nuevo enseguida. Pero por el momento no permitamos que esto suceda, poniéndolo en contacto con el cuerpo B de la temperatura constante r, la cual transmite de inmediato el calor producido, de modo que mantiene la temperatura r: en esta forma comprimámoslo (en un intervalo gh) hasta que el segmento restante le alcance exactamente para que su temperatura aumente de r a t, cuando esta última compresión se efectúe de modo tal que no pueda ceder calor.

Durante la primera compresión la presión aumenta según la otra hipérbola equilátera. En cambio, durante la última el aumento se produce con mayor rapidez, y está representado por la curva da. Esta curva tiene que terminar exactamente en a, puesto que, como al final de la operación la temperatura y el volumen tienen su valor primitivo, lo mismo debe suceder con la presión, que es una función de aquellas dos. Por lo tanto, el gas se encuentra ahora exactamente en el mismo estado que al principio.

Para determinar ahora el trabajo producido en estas transformaciones, por las razones expuestas sólo tenemos que concentrar la atención en el trabajo exterior. Durante la dilatación el gas produce un trabajo que está determinado por el integral del producto entre el diferencial de volumen y el valor correspondiente de la presión, y que por lo tanto está representado geométricamente por los cuadriláteros eafb y fbcg. Por el contrario, En la compresión se consume trabajo, que está representado por del mismo modo por los cuadriláteros gcdh y bdae. El exceso del primer trabajo sobre el último debe considerarse como el trabajo total producido durante las transformaciones y está representado por el cuadrilátero abcd.

Si todo el proceso antes descrito se realiza en orden inverso, se obtiene la misma cantidad abcd como exceso del trabajo consumido sobre el producido.

CONSECUENCIAS DEL PRINCIPIO DE CARNOT

Carnot ha supuesto que a la producción de trabajo le corresponde un mero pasaje de calor de un cuerpo caliente a otro frío, sin que la cantidad de calor disminuya en dicho pasaje.

La última parte de esta hipótesis, a saber, que la cantidad de calor no resulta disminuida, contradice nuestro principio anterior y, por lo tanto, si queremos conservar éste, debe de ser rechazada. La primera parte, en cambio, puede mantenerse atendiendo a su contenido esencial. Puesto que, si bien ya no necesitamos más un equivalente propio para el trabajo producido, desde que hemos admitido como tal un consumo real de calor, es todavía posible, sin embargo, que aquel pasaje se produzca simultáneamente con el consumo, y asimismo que esté en relación determinada con el trabajo. Se trata, pues, de investigar si esta hipótesis además de su posibilidad, tiene también de suyo una probabilidad suficiente.

Un pasaje de calor de un cuerpo caliente a otro frío ocurre positivamente en aquellos casos en que se produce trabajo por acción del calor y al mismo tiempo se cumple la condición de que la sustancia que interviene se encuentre de nuevo al final en el mismo estado que al principio. En los procesos descritos anteriormente, y representados en la figura citada, hemos visto que el gas y el agua que se vaporiza recibían calor del cuerpo A al aumentar de volumen, y que daban calor al cuerpo B durante la disminución de volumen, de tal modo, pues, que una determinada cantidad de calor ha sido transportada de A a B, y que ésta era, además, mucho mayor que la que admitimos como consumida, de manera que en las transformaciones infinitamente pequeñas que están representadas en la figura, esta última constituye un proceso de segundo orden, mientras que la primera lo representa de primer orden, Sin embargo, para poder relacionar con el trabajo este calor transportado, es necesaria aún otra limitación. En efecto, ya que también puede tener lugar un transporte de calor sin efecto mecánico, cuando un cuerpo caliente y uno frío están inmediatamente en contacto y el calor fluye del uno al otro por conducción, entonces, si se desea lograr el máximo de trabajo para el pasaje de una determinada cantidad de calor entre dos cuerpos de determinada temperatura t y r, debe conducirse el proceso de tal modo que, como ha ocurrido en los casos anteriores, nunca se pongan en contacto dos cuerpos de diferente temperatura.

Ahora bien, es este máximo del trabajo que se debe comparar con el pasaje del calor, y se encuentra que, en realidad, tenemos motivos para admitir, con Carnot, que sólo depende de la cantidad de calor transportado y de las temperaturas t y r de los cuerpos A y B, pero no de la naturaleza del cuerpo intermediario. Este máximo tiene, en efecto, la propiedad de que por el consumo del mismo también se puede transportar de nuevo del cuerpo frío B al cuerpo caliente A una cantidad de calor igual a la que tenía que pasar de A a B para su producción. Nos convencemos de ello fácilmente si para su producción efectuamos en sentido inverso todos los procesos descritos anteriormente, de modo que, por ejemplo, en el primer caso el gas se dilata sólo de modo que su temperatura desciende de t a r, luego prosigue su dilatación en contacto con B, después es comprimido solo, hasta que su temperatura es de nuevo t, y finalmente sufre la última compresión en contacto con A. Entonces, en la compresión se consume más trabajo que el producido en la dilatación, de modo que en total tiene lugar una pérdida de trabajo que posee el mismo valor que la ganancia obtenida en el proceso anterior. Además, al cuerpo B se le quita tanto calor como el que antes se le comunicó, y al cuerpo A se le comunica tanto como el que antes se le quitó, de donde se deduce que no sólo se produce ahora la misma cantidad de calor que antes se consumió, sino también que la misma cantidad que antes fue llevada de A a B va ahora de B a A.

Si nos imaginamos ahora que existen dos sustancias de las cuales una pueda dar mayor trabajo que la otra con un determinado pasaje de calor, o, lo que es lo mismo, que para producir un determinado trabajo necesite transportar menos calor de A a B que la otra, entonces podríamos utilizar alternativamente a estas dos sustancias de modo tal que con la primera se produzca trabajo por el proceso antedicho, y con la última se realice el proceso inverso consumiendo el mismo trabajo. Entonces, ambos cuerpos estarían de nuevo, al final, en su estado primitivo; además, el trabajo producido y el consumido se habrán anulado exactamente de modo que también, de acuerdo con el principio anterior, la cantidad de calor no pudo haber aumentado o disminuido. Sólo respecto a la distribución del calor habría ocurrido una diferencia, en el sentido de que se habría transportado más calor de B hacia A que de A hacia B, y de este modo habría tenido lugar, en total, un transporte de B hacia A. Por repetición alternada de ambos procesos se podría entonces, sin ningún gasto de fuerza, o alguna otra transformación, llevar tanto calor como se quiera de un cuerpo frío a otro caliente, lo que contradice el comportamiento ordinario del calor, puesto que en todas partes muestra la tendencia a igualar las diferencias de temperatura, y a pasar por lo tanto de los cuerpos calientes a los fríos.

De manera que parece teóricamente lícito mantener la primera parte, y en realidad la fundamental, de la hipótesis de Carnot, y emplearla como segundo principio junto con el anteriormente establecido; la exactitud de este procedimiento, como enseguida veremos, ya ha sido también confirmada varias veces por los resultados.

Según esta hipótesis, podemos caracterizar como función de t y r al trabajo máximo que puede ser producido por el transporte de una cantidad de calor desde el cuerpo A con temperatura t hasta el cuerpo B con temperatura r. Esta función tiene que ser naturalmente, con respecto a su valor, tanto más pequeña cuanto menos es la diferencia t-r, y cuando ésta se hace infinitamente pequeña (=dt), debe transformarse, en el producto de dt; por una función de t solamente. Para el último caso, que es el que por ahora nos interesa, se puede, pues representar el trabajo en la forma 1/Cdt, donde C significa una función de t solamente.

Fragmento de Ueber die bewegendre Kraft de Wärme (1850).

Trad. de D. Papp (Buenos Aires, 1945).

Datos biográficos por M. en C. Arturo Noyola Isgleas

Del libro Panorama histórico de la ciencia moderna de P. Lain Entralgo y José Ma. López Piñero.