Cát. 9 — Segunda Ley: Clausius y Kelvin

📋 Temas que cubre

Límites de la Primera Ley: no establece en qué dirección ocurren los procesos
Principio de Clausius: el calor fluye espontáneamente del cuerpo más caliente al más frío
Enunciado de Kelvin-Planck: ningún proceso puede extraer calor de un único foco y convertirlo íntegramente en trabajo
Equivalencia de los dos enunciados de la Segunda Ley
Irreversibilidad macroscópica y la "flecha del tiempo"
Máquina térmica: recibe calor de foco caliente, realiza trabajo, expulsa calor al foco frío
Refrigerador: el proceso inverso a la máquina térmica (requiere trabajo externo)

💡 Conceptos clave

Principio de Clausius

Es imposible construir un proceso cuyo único efecto sea transferir calor de un cuerpo frío a uno caliente. Esto no viola la Primera Ley (la energía se conservaría), pero nunca se observa en la naturaleza: el calor siempre fluye espontáneamente de $T_{c}$ a $T_{f}$ , con $T_{c} > T_{f}$ .

Enunciado de Kelvin-Planck

Es imposible un proceso cíclico cuyo único efecto sea absorber calor de un único foco y producir una cantidad equivalente de trabajo. Toda máquina térmica real debe expulsar algo de calor a un foco frío: no se puede convertir calor en trabajo con 100% de eficiencia.

Máquina térmica

Opera entre dos focos: uno caliente a temperatura $T_{c}$ y uno frío a $T_{f}$ (con $T_{c} > T_{f}$ ). Absorbe calor $Q_{c}$ del foco caliente, produce trabajo $W$ y expulsa calor $Q_{f}$ al foco frío. La eficiencia $η = W / Q_{c} < 1$ .

Refrigerador (bomba de calor)

Opera como una máquina térmica al revés: consume trabajo externo $W$ para extraer calor $Q_{f}$ del foco frío y expulsar calor $Q_{c} = Q_{f} + W$ al foco caliente. No viola Clausius porque requiere trabajo externo.

📐 Fórmulas fundamentales

Balance energético de una máquina térmica

Q_{c}

calor absorbido del foco caliente ·

Q_{f}

calor expulsado al foco frío ·

W

trabajo útil producido. La Primera Ley exige

Q_{c} = W + Q_{f}

Eficiencia de una máquina térmica

La Segunda Ley impone

Q_{f} > 0

, por lo tanto

η < 1

. No existe máquina con

η = 1

(eso violaría el enunciado de Kelvin).

Balance de refrigerador

COP = coeficiente de funcionamiento (coefficient of performance). El COP puede ser mayor que 1: la bomba de calor es más eficiente que una resistencia eléctrica pura.

🎯 Qué hay que entender

✦ Por qué la Segunda Ley es profunda

La Primera Ley dice cuánta energía hay; la Segunda Ley dice en qué dirección va. Ambas son necesarias.
Los dos enunciados (Clausius y Kelvin) parecen distintos pero son lógicamente equivalentes: si pudieras violar uno, podrías violar el otro.
La Segunda Ley no dice que no se puede enfriar un refrigerador (eso viola Clausius). Dice que si lo haces, necesitas trabajo externo.
La "flecha del tiempo" termodinámica viene de la Segunda Ley: los procesos macroscópicos irreversibles evolucionan en la dirección que aumenta el desorden (entropía).
La eficiencia $η$ siempre se calcula con respecto a $Q_{c}$ (calor absorbido del foco caliente), no con respecto al trabajo total.

🧠 Quiz de repaso

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Entropía y Ciclo de Carnot

Cátedra 9: Segunda Ley — Clausius y Kelvin