Ciclo de Carnot y Entropía

Para entender mejor los procesos que ocurren dentro de la maquina, imaginemos algo conocido como lo es un pistón. Este tiene dentro un gas comprimido, al calentarlo la presión aumenta y esta es la que produce trabajo al mover el pistón, para que este siga produciendo trabajo debe regresar a su lugar original y por lo tanto a su temperatura.

De esto se basa el principio de Carnot que establece que ninguna máquina térmica puede ser más eficiente que una máquina térmica reversible, trabajando ambas entre el mismo par de temperaturas, τ_C y τ_F. Con τc > τ_F y ambas dadas en cualquier escala de temperatura.

En una primera etapa (1→2) del ciclo de Carnot, el gas perfecto absorbe calor de la "fuente de calor" permaneciendo a una temperatura constante (T_C). Este proceso es una expansión isotérmica que realiza un trabajo igual al calor absorbido, dado esto la energía interna se mantiene constante, ΔU = 0.

En una segunda etapa (3→4), el gas cede calor a la fuente fría manteniendo la temperatura constante (T_F). Este proceso es una compresión isotérmica.

Ambos procesos deben conectarse mediante adiabátas reversibles (2→3 y 4→1)

Tomando en cuenta los signos, las temperaturas y las derivadas de los calores (dq) de estos cuatro procesos, podemos llegar a una expresión para el ciclo de Carnot para un gas ideal, esta es :

 

Esta expresión puede extenderse a un ciclo reversible eliminado la restricción de que el calor se intercambie con el entorno sólo a T_F y  T_C. Así, es posible llegar a concluir que dq_rev / T es la diferencial de una función de estado, denominada Entropía, del griego trope que significa transformación.

 

 

Esta función de estado es extensiva, y el cambio de entropía ΔS entre los procesos 1 y 2, esta dado por:

 

 

Donde esta integral solo esta dada para procesos reversibles en un sistema cerrado. En el caso de los irreversibles no se puede tomar esa integral, pero hay forma de idear un proceso reversible alternativo, y como función de estado no importa el recorrido si no solo el inicio y el final.

Al observar el gráfico del ciclo de Carnot se puede decir que S₂ ‒ S₁ no puede ser cero por que el proceso 1→2 es irreversible, por lo que ∆S ≥ 0 en un sistema cerrado.

Como un sistema aislado es cerrado y sin intercambio de calor, la diferencia de entropía en este también es mayor a cero por lo que se desprende:

- La  energía no se crea ni se destruye.

- La  entropía se crea, pero no se destruye.

Por lo que "El universo tiende al caos"