La entropía es una propiedad extensiva de un sistema y a veces es llamadaentropía total, s tiene la unidad kJ/kg · K.

Proceso irreversible: aquel en el cual el estado inicialy final del sistema son diferentes, y además seprovocan cambios importantes sobre el ambiente.Proceso reversible: aquel en el cual los estados inicialy final del sistema son exactamente iguales, ytampoco se ha provocado cambios sobre el entorno

1.5.5 Proceso cíclico o ciclo. Es aquel en el cual susestados inicial y final son idénticos. El cambio de valorde cualquier propiedad en un proceso cíclico es cero. LaFig. 1.13, representa ciclos de dos y cuatro etapas,respectivamente.

Un diagrama temperatura-entropía o diagrama T-S, se utiliza en la termodinámica para visualizar cambios detemperatura y entropía especifica durante un proceso termodinámico o ciclo. Es una herramienta útil y común, particularmente porque ayuda a visualizar la trasferencia de calor durante un proceso.Un diagrama temperatura-entropía o diagrama T-S, se utiliza en la termodinámica para visualizar cambios de temperatura y entropía especifica durante un proceso termodinámico o ciclo. Para procesos reversibles (ideales), el área bajo la curva T-S de un proceso es el calor transferido al sistema durante ese proceso. 1

Un proceso isentrópico se representa como una línea vertical en un diagrama T-S, en donde un proceso isotérmico es una línea horizontal.2

Diagrama T-s para vapor, unidades  US. 

Diagrama T-S (temperatura-entropía o Diagráma Entrópico): es muy empleado, pues (si las evoluciones son reversibles) el área encerrada por el ciclo o bajo la curva representa los caloresintercambiados.

Este ejemplo de un diagrama T-S muestra un ciclo termodinámico que toma lugar entre un deposito

caliente a temperatura TH y un deposito frió a temperatura TC . Para procesos reversibles, tales

como los que se encuentran en los ciclos de Carnot, el área en rojo QC  es la cantidad de energía

intercambiada entre el sistema y el deposito frió. El área en blanco W es la cantidad de energía de

trabajo intercambiado por el sistema y sus alrededores. La cantidad de calor QH intercambiado con

el depósito caliente es la suma de los dos. La eficiencia térmica del ciclo es cociente del área blanca

(trabajo) dividida entre la suma del área blanca y roja (calor total). Si el ciclo se mueve en el sentido

de las manecillas del reloj entonces es el sistema el que ejerce trabajo, si el ciclo se mueve en

contra de las manecillas del reloj es el sistema el que recibe el trabajo y mueve el calorQH del

depósito frió al depósito caliente.

Ciclo de Carnot

Esquema de una máquina de Carnot. La máquina absorbe calor desde la fuente caliente T1 y cede

calor a la fría T2produciendo trabajo.

El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura, cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. Elrendimiento viene definido por

y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot.

El ciclo de Carnot[editar]

Diagrama del ciclo de Carnot en función de lapresión y el volumen.

Diagrama del ciclo de Carnot en función de latemperatura y la entropía.

El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente). Las aplicaciones del Primer principio de la termodinámica están escritos acorde con el Criterio de signos termodinámico.

Máquina de Carnot

La máquina de Carnot es una máquina ideal que utiliza calor para realizar un trabajo. En ella hay un gas sobre el que se ejerce un proceso cíclico de expansión y contracción entre dos temperaturas. El ciclo termodinámico utilizado se denominaciclo de Carnot y fue estudiado por Sadi Carnot alrededor de 1820. Una máquina de Carnot es el procedimiento más eficaz para producir un trabajo a partir de dos focos de temperatura.

Puede construirse a partir de un cilindro sobre el que discurre un pistón unido a una biela que convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento circular. El cilindro

contiene una cierta cantidad de un gas ideal y la máquina funciona intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes T1 < T2. Las transferencias de calor entre las fuentes y el gas se hace isotérmicamante, es decir, manteniendo la temperatura constante. Esta parte del proceso es, por lo tanto, reversible. El ciclo se completa con una expansión y una compresión adiabáticas, es decir, sin intercambio de calor, por lo que esta parte del ciclo es también reversible.

Funcionamiento de la Máquina de Carnot[editar]

(1) Expansión isotérmica. Se parte de una situación en que el gas ocupa el volumen mínimo Vmin a la temperatura T2 y a presión alta. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T2, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T2 y mantiene su temperatura constante. El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre el pistón. Dado que la temperatura permanece constante durante esta parte del ciclo, el gas no cambia su energía interna y todo el calor absorbido de T2 se convierte en trabajo

 

(2) Expansión adiabática. La expansión isotérmica termina en un punto tal que el resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperaturaT1 en el momento en que el pistón alcanza el punto máximo de su carrera y el gas alcanza su volumen máximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizado por el gas proviene de su energía interna:

 

(3) Compresión isotérmica. Se pone en contacto con el cilindro la fuente de calor de temperatura T1 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Durante esta parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas pero, como la temperatura permanece constante, la energía interna no cambia y el trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente T1:

 

(4) Compresión adiabática. La fuente T1 se retira en el momento adecuado para que durante el resto de la compresión el gas eleve su temperatura hasta alcanzar exactamente el valor T2 al mismo tiempo que el volumen del gas alcanza su valor mínimo Vmin. Durante esta etapa no hay intercambio de calor y el trabajo realizado sobre el gas se convierte en energía interna:

 

Trabajo realizado[editar]

Por la Primera Ley de la Termodinámica, en cada ciclo la máquina realiza un trabajo mecánico dW igual al calor dQ transferido de T2 a T1, lo cual se puede comprobar usando las igualdades obtenidas en cada ciclo:

donde la segunda igualdad se obtiene de 1) y 3). Por otro lado, el estado del gas al terminar un ciclo es el mismo que al comenzarlo, por lo que el cambio de su energía interna debe ser cero:

De esta igualdad y de 1), 2), 3) y 4) se deduce que dW2 + dW4 = 0. Por lo tanto

El rendimiento de una máquina de Carnot (el cociente entre el calor absorbido y el trabajo desempeñado) es máximo y,

siendo   la temperatura del foco frío y   la del foco caliente, puede calcularse como:

Ciclo real[editar]

Todos los procesos reales tienen alguna irreversibilidad, ya sea mecánica por rozamiento, térmica o de otro tipo. Sin embargo, las irreversibilidades se pueden reducir, pudiéndose considerar reversible un proceso cuasiestático y sin efectos disipativos. Los efectos disipativos se reducen minimizando el rozamiento entre las distintas partes del sistema y los gradientes de temperatura; el proceso es cuasiestático si la desviación del equilibrio termodinámico es a lo sumo infinitesimal, esto es, si el tiempo característico del proceso es mucho mayor que el tiempo de relajación (el tiempo que transcurre entre que se altera el equilibrio hasta que se recupera). Por ejemplo, si la velocidad

con la que se desplaza un émbolo es pequeña comparada con la del sonido del gas, se puede considerar que las propiedades son uniformes espacialmente, ya que el tiempo de relajación mecánico es del orden de V1/3/a (donde V es el volumen del cilindro y a la velocidad del sonido), tiempo de propagación de las ondas de presión, mucho más pequeño que el tiempo característico del proceso, V1/3/w(donde w es la velocidad del émbolo), y se pueden despreciar las irreversibilidades.

Si se hace que los procesos adiabáticos del ciclo sean lentos para minimizar las irreversibilidades se hace imposible frenar la transferencia de calor. Como las paredes reales del sistema no pueden ser completamente adiabáticas, el aislamiento térmico es imposible, sobre todo si el tiempo característico del proceso es largo. Además, en los procesos isotermos del ciclo existen irreversibilidades inherentes a la transferencia de calor. Por lo tanto, es imposible conseguir un ciclo real libre de irreversibilidades, y por el primer teorema de Carnot la eficiencia será menor que un ciclo ideal.

(7-5)También es importante observar que la integral dQ/T da el valor de cambiode entropía sólo si la integración se efectúa a lo largo de una trayectoria internamentereversible entre los dos estados. La integral de dQ/T a lo largo deuna trayectoria irreversible no es una propiedad y, generalmente, se obtendránvalores diferentes cuando la integración se cumple a lo largo de diferentestrayectorias irreversibles. Por lo tanto, incluso para los procesos irreversibles,el cambio de entropía debe determinarse cumpliendo esta integración a lo largode alguna trayectoria internamente reversible convencional e imaginariaentre los estados especificados.

El diagrama T-S tiene varias propiedades interesantes que lo hacen util para visualizar procesos y ciclos. A continuación ilustraremos algunas de estas propiedades importantes.    

En un diagrama T-S un ciclo de Carnot queda representado por dos horizontales (isotermas) y dos verticales (isentrópicas). Por lo tanto un ciclo de Carnot es unrectángulo.

Además el área encerrada dentro de un ciclo (o bajo la curva) representa los calores intercambiados con el exterior o en cada evolución.

Lo anterior se debe a que si la evolución es reversible, se cumple que dQ = T·dS.

En el ejemplo que se ilustra, el calor absorbido es el áreaS1-2-3-S2 y el calor cedido es el área S1-1-4-S2.

Como dU (diferencial de la energía interna) es una diferencial exacta, el valor de U es el mismo al inicio y al final del ciclo, y es independiente del camino, por lo tanto la integral de dU vale cero, con lo que queda