En la figura 9, mis estimados amigos lectores, les presento el Ciclo de Carnot ideado por el científico francés Sadi Carnot 1796-1832 (ver inicio de la PARTE 1 del presente post), que es una transformación cíclica idealizada, pues no hay pérdida de energía.

El ciclo idealizado de Carnot (Máquina de Carnot) consta de cuatro procesos realizados en un ciclo, dos de los cuales son adiabáticos () y los otros dos son isotérmicos (). Se consideró que cada uno de los procesos se realizaba de manera reversible. Es decir, cada uno de los procesos (por ejemplo, durante la expansión de los gases contra un pistón) se hizo tan lentamente que el proceso podría considerarse una serie de estados de equilibrio, y todo el proceso se podría realizar a la inversa sin cambio en la magnitud del trabajo efectuado o del calor intercambiado (Transformación Reversible). Por otra parte, un proceso real ocurriría más rápidamente; habría turbulencia en el gas, la fricción estaría presente, etcétera. Por todos estos factores, no es posible efectuar un proceso real exactamente a la inversa: la turbulencia sería diferente y la pérdida de calor por fricción no se invertiría por sí misma. Por ende, los procesos reales son irreversibles (Transformación Irreversible).

Observen nuevamente la figura 9 mis atentos lectores. El ciclo para la Máquina de Carnot comienza en el punto del diagrama . (1) Primero se expande el gas isotérmicamente, con la adición de calor , a lo largo de la trayectoria a temperatura . (2) A continuación, el gas se expande adiabáticamente en la trayectoria ; no se intercambia calor, pero la temperatura desciende a . (3) Entonces el gas se comprime a temperatura constante , en la trayectoria , y el calor fluye hacia fuera. (4) Finalmente, el gas se comprime adiabáticamente, en la trayectoria , de vuelta a su estado original.

Ejemplos de sistemas donde se llevan a cabo transformaciones cíclicas lo constituyen los motores de combustión, los motores de vapor, turbinas, etc.

11.8 - TRANSFORMACION CUASIESTATICA O DE CUASIEQUILIBRIO:

Generalmente, el anterior hecho implica que el sistema pasa por sucesivos estados de equilibrio infinitesimalmente cercanos, es decir, el sistema está en todo momento muy cerca del estado de equilibrio.

Una transformación de este tipo puede considerarse lo suficientemente lenta como para permitirle al sistema ajustarse internamente, de modo que las variables termodinámicas de una de sus partes no cambien más rápido que las de otras.

Se debe destacar que,

La razón para que la variación de las fuerzas externa sea infinitesimal, obedece al hecho de que una fuerza finita provoca siempre estados en desequilibrio (turbulencia en un gas, ondas, distribución no uniforme de temperaturas, etc.) que impiden que el sistema pueda describirse en esos estados mediante variables termodinámicas.

11.9 - TRANSFORMACION REVERSIBLE:

Para que lo anterior suceda, no debe haber rozamientos ni deformaciones, es decir, efectos disipativos. No habrá degradación de la energía y por ello ninguna generación o producción de entropía.

Como ejemplo, considérese una banda elástica colocada en forma vertical al ser fijada en uno de sus extremos a un soporte fijo y a la cual se le coloca un recipiente en el otro extremo. Se hace estirar la banda al agregar cantidades infinitesimales de arena en el recipiente. El estiramiento es una sucesión de transformaciones infinitesimales que pueden invertirse en cualquier momento al retirar cantidades infinitesimales de arena. La misma acción invertida, invierte a su vez el sentido del estiramiento de la banda. La anterior transformación es:

1. Cuasiestática: porque los estados intermedios son de equilibrio, puesto que el sistema tiene tiempo de ajustarse a cada nueva tensión.
2. Reversible: porque la contracción es realizable en cualquier momento llevando a cabo la misma clase de manipulaciones.

11.10 - TRANSFORMACION IRREVERSIBLE:

Todas las transformaciones que ocurren en la naturaleza son irreversibles. En ellas siempre habrá degradación de energía y generación de entropía. Pueden ser de dos tipos:

11.10.1 - TRANSFORMACION IRREVERSIBLE CUASIESTATICA:

Como ejemplo, considérese un gas contenido en un cilindro vertical provisto de un pistón o émbolo sobre el cual se coloca una determinada masa de arena. El gas se calienta lentamente utilizando una pequeña resistencia eléctrica y como consecuencia, el gas se va expandiendo lentamente, es decir, cuasiestáticamente. La anterior transformación es:

1. Cuasiestática: ya que el gas se va expandiendo lentamente pasando por estados intermedios de equilibrio, puesto que el sistema tiene tiempo de ajustarse a cada nueva temperatura.
2. Irreversible: ya que no es posible lograr que el gas se enfríe con la misma clase de manipulación, es decir, únicamente en contacto con la resistencia eléctrica.

11.10.2 - TRANSFORMACION IRREVERSIBLE NO-CUASIESTATICA:

Como ejemplo, considérese un sistema complejo que consta de dos subsistemas a temperaturas diferentes que están aislados mediante una frontera adiabática. Al poner en contacto térmico directo los dos subsistemas, eliminando la frontera adiabática, se acaba por alcanzar un estado de equilibrio caracterizado por una temperatura uniforme. Ni el sistema ni los subsistemas pasan por estados de equilibrio intermedios, por lo que la transformación es no-cuasiestática.

En la naturaleza toda transformación es irreversible, sin embargo, algunas se pueden idealizar para acercarse a la reversibilidad. Es de hacer notar que las transformaciones irreversibles introducen una serie de efectos, pero siempre en el mismo sentido. Así, en una expansión adiabática (no hay intercambio de calor) reversible y en una irreversible, con el mismo volumen final, la temperatura final es mayor siempre en la transformación irreversible. En una compresión adiabática, también sucede lo mismo.