TRANSFORMACIONES REVERSIBLES IRREVERSIBLES

Introducción 

En termodinámica, se conoce como proceso termodinámico a cualquier transformación en la que el sistema (objeto de estudio) pasa de un estado inicial a un estado final, siendo estos dos estados de equilibrio (las variables termodinámicas permanecen constantes). En los procesos termodinámicos, los sistemas cerrados intercambian energía (en forma de calor y/o trabajo) con los alrededores. Estos procesos son en definitiva compresiones, expansiones, calentamientos o enfriamientos, y pueden ocurrir en condiciones concretas (a temperatura constante, a presión constante…). 

Es importante señalar también la diferencia entre procesos reversibles e irreversibles. Mientras que los procesos irreversibles son frecuentes en la naturaleza y sólo pueden ocurrir en un sentido, los reversibles son una idealización y pueden ocurrir en ambos. A continuación veremos dos descripciones detalladas de un proceso (en concreto una expansión) reversible e irreversible. Veremos que la diferencia más importante entre ambos es la permanencia o no del sistema en el estado de equilibrio. Esta es la clave para comprender la diferencia entre ambos procesos.

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Dentro de un sistema cerrado23 , en Termodinámica se distinguen dos tipos de transformación de la energía: Reversibles e irreversibles. 

DESCRIPCIÓN 

Toda transformación de un sistema termodinámico es un cambio de estado, es decir, un cambio no arbitrario en los valores de las magnitudes que definen el estado, llamadas variables de estado.24 Dada la composición de un sistema, normalmente se definen tres variables en cualquier transformación termodinámica: presión, volumen y temperatura.26 Son variables que están sujetas a relaciones precisas entre sí26 . Si se definen los valores que toman dos de ellas, la tercera queda determinada automáticamente. Estas relaciones pueden representarse con ecuaciones de estado27 . 

Se dice que un proceso es reversible termodinámicamente cuando los cambios que tienen lugar en el proceso se invierten cuando éste se verifica en dirección opuesta28 . 

Un camino reversible puede implicar un cambio de temperatura, presión o volumen. Sin embargo, es necesario que el proceso tenga lugar de tal manera que el sistema esté siempre en equilibrio termodinámico28 . Ello implica que debe verificarse de manera infinitesimalmente lenta, lo que requiere un tiempo infinito para su conclusión30.

Como es lógico, los procesos de transformación reversibles sólo existen en la teoría, bajo la premisa de que son estados ideales no alcanzables que limitan el rendimiento máximo de cualquier conversión termodinámica.31 

Ahora pensemos en cómo tendría que tener lugar una expansión para que el sistema permaneciera en estado de equilibrio. Para que el gas permanezca perfectamente distribuido en el recipiente, y que la presión externa e interna sean iguales en todo momento, la presión externa tendría que disminuir muy lentamente. Cuanto más lentamente fuera bajando la presión externa, más paulatinamente aumentaría de volumen el sistema y antes se igualaría la presión interna con la externa. En definitiva, ambas presiones irían descendiendo manteniéndose iguales entre sí.

Este tendría que ser un proceso lento. En el límite de la idealidad, la presión externa pasaría de ser 1.0000… a 0.9999…, y a cada pequeño descenso infinitesimalmente pequeño le sucedería un lapso infinitamente largo. Obviamente esto en la realidad no es posible. Sin ser tan estrictos, es cierto que se podría realizar esta expansión sin alejar al sistema mucho del estado de equilibrio. Para poder hacer esto, reduciríamos Pext un poco y esperaríamos, y así sucesivamente. 

Ya hemos descrito la expansión reversible, ahora analicemos las propiedades de los procesos reversibles. Es cierto que estos procesos son lentos, pero lo importante no es eso… lo importante acerca de los procesos reversibles es que en ellos el sistema permanece muy cercano al estado de equilibrio, puesto que evoluciona con variaciones infinitesimales de presión (lo que no ocurría en los irreversibles). Justo por ese motivo, estos procesos pueden ocurrir en ambos sentidos. Si observas un proceso reversible en un sentido y en su opuesto, no habrá nada que te llame la atención. Es como si vieras un ascensor subir o bajar. 

Aunque no sean (ni mucho menos) frecuentes en la naturaleza, los procesos reversibles nos ofrecen una ventaja importante en el estudio de los procesos termodinámicos: la posibilidad de tener a nuestro sistema perfectamente caracterizado a la vez que sufre cambios en sus propiedades.

Un ejemplo de proceso reversible sería el de carácter isotérmico que se describe a continuación: 

Supóngase la transformación de una cantidad de calor recibida o transferida, Q, en igual cantidad de trabajo W, ejecutada: por o sobre el sistema, alternativamente. Así:

Teóricamente dicha igualdad no contradice el primer principio de la Termodinámica, pero concede la posibilidad de que pueda darse la conversión reversible en trabajo, W, de idéntica cantidad de calor inicial, Q. Si existiera dicha posibilidad, significaría que podría reproducirse un movimiento cíclico indefinido con una cantidad finita de energía.32

No obstante, si se efectúa este proceso repetidas veces, queda conculcada la condición básica de la reversibilidad, consistente en que el proceso debe realizarse a una velocidad infinitamente lenta. Así pues, la conversión sucesiva del calor en trabajo y del trabajo en calor, implicaría una pérdida de trabajo (Wf ) debida a la fricción y consiguientemente el trabajo útil (Wu ) sería menor en dicha medida.

Wf se disiparía en forma de calor inutilizable. Pero además, si este proceso pudiese existir en la práctica, nadie podría negar la existencia de pérdidas caloríficas en el sistema, (aparte de las meramente debidas al rozamiento) a causa de la imposibilidad de lograr un sistema cerrado. Por ello, no habrá más remedio sino conceder que una parte del calor inicial Q, -equivalente a Qd - se pierde fuera del sistema.33 Así:

Dicha pérdida significaría que la reproducción del trabajo Wu varias veces implicaría la necesidad de que el calor producido en el trabajo de rozamiento (Wf ) y el calor perdido por el sistema (O,, ) fueran capturados otra vez para empezar de nuevo el ciclo al nivel inicial. O alternativamente, cada ciclo debería ser comenzado con el calor suministrado por la conversión del trabajo útil Wu del ciclo anterior. De este modo, el ciclo sería finito y la cantidad de trabajo realizado tendería a cero.34 

La aceptación de las ecuaciones (2) y (3) implica una idea práctica de irreversibilidad de los procesos termodinámicos, forzada por la evidencia de que no pueden darse en la realidad procesos reversibles, isotérmicos y cerrados. Estos procesos, de existir, tendrían la propiedad de efectuar el máximo trabajo posible38 . 

Por el contrario, cualquier fuente de irreversibilidad disminuye la cantidad máxima de trabajo efectuable. 

Un proceso reversible teóricamente e irreversible en la práctica, es aquél en que un cuerpo de alta temperatura entrega calor a otro de temperatura inferior. Dicho proceso se lleva a cabo en máquinas bitérmicas, que son sistemas en los que se admiten diferencias de temperatura internas. 

El traspaso de calor causado por una diferencia de potencial térmico, implica que parte de éste se transfiere como calor, pero otra parte puede transformarse en trabajo. El estado final del proceso no prejuzga cuáles han sido el ritmo y el camino seguidos, puesto que son dependientes de los valores tomados por las variables de estado. El estado final se produce cuando ambos cuerpos pertenecientes al sistema están a la misma temperatura. En este punto el sistema ya es incapaz de proveer trabajo. Un caso específico de este tipo de procesos es el ciclo de CARNOT.

Describamos una expansión irreversible: como punto de partida imagina una muestra de un gas ideal contenida en el interior de un recipiente con una pared móvil. Es importante que el recipiente tenga una pared móvil porque si no fuera así el gas no podría variar de volumen. Imagina el sistema en equilibrio mecánico con los alrededores, lo que quiere decir que la presión externa (la que tiene el entorno) es igual a la presión del gas (presión interna) y la pared móvil está en reposo. Por ejemplo, podría ser que Pext = Pint = 2atm. Además, en esta situación de equilibrio, la presión en todos los puntos del sistema es la misma, porque las moléculas del gas están uniformemente distribuidas por todo el volumen disponible.

Con esta situación en mente, pregúntate: ¿qué ocurriría si la presión externa descendiera de repente a 1atm? El estado de equilibrio en el que estaba el sistema se perdería, porque ya no habría igualdad entre presión externa y presión interna. La presión interna sería mayor que la externa, y el gas del sistema aumentaría de volumen para conseguir de nuevo igualar su presión con la del entorno. Pero ¿cómo sería ese aumento de volumen? Coherentemente con el descenso repentino de Pext, el sistema aumentaría de volumen de manera también repentina, lo que generaría bastante caos: habría turbulencias, zonas del recipiente con mayor presión, otras zonas con vacíos… el sistema se encontraría, podríamos decir “descontrolado”, y durante unos momentos no sería posible caracterizarlo, porque no está en equilibrio. Pero date cuenta de esto: al cabo de cierto tiempo, el sistema alcanzaría un nuevo estado de equilibrio, en el que la presión externa y la interna se habrían igualado de nuevo y el gas estaría de nuevo homogéneamente distribuido por todo el volumen disponible.

Ahora hazte esta otra pregunta: el proceso que acabamos de describir, ¿podría ocurrir en el sentido contrario? ¿Te parece posible que moléculas de gas que inicialmente estén homogéneamente distribuidas generen vacíos y turbulencias de manera espontánea? Obviamente esto no es posible, y por tanto el proceso que acabamos de describir es un proceso irreversible.

Una forma de representar gráficamente los estados y las transformaciones que experimenta un sistema es el llamado diagrama de Clapeyron o diagrama p - V. En el eje vertical se representa la presión y en el horizontal el volumen. Cualquier estado de equilibrio, definido por sus variables (p, V), se representa mediante un punto en dicho diagrama. La temperatura de dicho estado se obtiene haciendo uso de la ecuación de estado.

En la figura superior se han representado dos transformaciones en un diagrama p - V. La primera de ellas (A-B, en rojo) es una transformación isócora (tiene lugar a volumen constante), y la B-C es una transformación isóbara (a presión constante). Ambas son transformaciones reversibles puesto que, al estar representados en el diagrama todos los estados intermedios entre el estado inicial y el final, deben ser necesariamente de equilibrio. Si no lo fueran, las variables termodinámicas no estarían bien definidas en ellos.

REFERENCIAS

23 Un sistema termodinámico cerrado es aquél que no intercambia energía con el
exterior. 

Ver: GEORGESCU-ROEGEN, N.: De la science économique... Op. cit., Pg. 358.
La transformación adiabática es aquélla en el curso de la cual no hay intercambio de
calor entre el sistema considerado y el exterior. Así pues, en el transcurso de dicha
transformación el sistema es cerrado. Ver:
CHANG, S.S.L: Op. cit.. Pg. 15. La transformación isotérmica es aquélla que mantiene la misma temperatura a lo largo del proceso.

24 LUCINI, M.: Op. cit., Pg. 4.

25GLASSTONE, S.: Op. cit., Pg. 18.

26 LUCINI, M.: Op. cit., Pg. 4.

27 GLASSTONE, S.: Op. cit. Pg. 18.

28 GLASSTONE, S.: Op. cit., Pg. 51. También:

KLING, R.: Thermodinamyque générale et applications. Editions Technip, Parts,

1.967. Pg. 6.

29 KLING, R.: Ibidem.

30KLING, R.: Op. cit., Pg. 56. También:

GEORGESCU-ROEGEN, N.: De la science économique... Op. cit. Pg. 359.

31 GEORGESCU-ROEGEN, N.: Ibidem.

32 Las ideas básicas de este razonamiento están tomadas de:

GEORGESCU-ROEGEN, N.: De la science économique... Op. cit. Pg. 359 y s. Y

también:

GLASSTONE, S.: Op. cit., Pg. 48 y s.

33 Lo que no significa que el proceso deja de ser isotérmico, puesto que la cantidad de

calor que resta dentro del sistema mantiene la misma temperatura. Según AGUIRRE:

"el concepto de temperatura puede ser establecido a través de la idea de la existencia

de un flujo de calor entre dos cuerpos en contacto térmico. Como ambos cuerpos

deben ser considerados como sistemas mecánicamente aislados, la medición de la

variación de temperatura proporciona una indicación directa de la cuantía de la

trasferencia de calor, ya que éste es el único proceso permitido". (Op. cit., Pg. 34).

Para una discusión adicional del concepto de temperatura, ver:

GLASSTONE, S.: Op. cit., Pg. 4-8.

KITTEL, C.: Op. cit., Pg. 54 y s.

34 AGUIRRE, F.: Op. cit., Pg 97.

35 KLING, R.: Op. cit., Pg. 67.

36 Puede consultarse cualquier manual especializado. Por ejemplo:

CHANG, S.S.L.: Op. cit.. Pg. 27-31. LUCINI, M.: Op. cit., Pg. 64 y ss.