Como sabemos se llama calor a la energía que se transmite del cuerpo con mayor temperatura al cuerpo con menor temperatura, por ejemplo, durante su contacto. Por sí misma, esta transmisión de energía no va acompañada con la realización de trabajo, ya que con ello no hay ningún desplazamiento de los cuerpos. Ella conduce sólo al aumento de la energía interna del cuerpo, al que se le entrega el calor y a la igualación de temperaturas, después de lo cual se suspende el mismo proceso de transmisión térmica. Pero si el calor se transmite al cuerpo que en este caso se dilata, entonces, él puede realizar un trabajo. De acuerdo a la ley de conservación de la energía este trabajo será igual a:
,
dU
dQ
dA=
−
donde dU es el cambio de energía interna. Durante el proceso isotérmico se realiza el máximo trabajo, cuando no cambia la energía interna, de modo que
.
dQ
dA=
Un trabajo mayor claro está no puede haber. Por consiguiente, para obtener el trabajo máximo, igual al calor empleado, es necesario transmitir calor al cuerpo que se
dilata, de modo que entre él y la fuente de calor no haya diferencias de temperaturas, porque, repetimos, el proceso irreversible de la conductibilidad calorífica es incapaz de transformar el calor en trabajo, conduciendo solamente al aumento de la energía interna en perjuicio del trabajo. Es cierto, que si no hay diferencias de temperaturas entre la fuente de energía y el cuerpo al que se le transmite el calor, entonces, no se transmitirá el calor. Pero, para que se transmita el calor, es suficiente que la diferencia de temperaturas entre ellos sea infinitamente pequeña lo que prácticamente no se diferencia del isotermismo completo. En tales condiciones el proceso de transmisión de calor ocurre de un modo infinitamente lento y, por eso, es reversible.
Todo esto se relaciona al acto único de transmisión de calor al cuerpo que realiza un trabajo. En este caso repetimos, el cuerpo puede realizar un trabajo igual al calor entregado por la fuente. Por ejemplo, si un mol de un gas ideal, al recibir el calor, se dilata isotérmicamente desde el volumen V1 hasta el volumen V2, con ello se
realizará un trabajo igual a
Rln(V
2/V
1)
.Pero para la Técnica tienen importancia no estos procesos unitarios de transformación de calor en trabajo. Los mecanismos reales existentes para obtener trabajo a cuenta del calor (máquinas de vapor, motores de combustión interna, y etc.) actúan, como sabemos, cíclicamente, es decir, en ellos los procesos de transmisión del calor y de su transformación en trabajo mecánico se repiten periódicamente. Para eso, es necesario que el cuerpo que realiza el trabajo, al recibir una cierta cantidad de calor de la fuente y realizar un trabajo determinado, vuelva después de esto al estado inicial, para empezar de nuevo el mismo proceso. En otras palabras, el cuerpo deberá realizar procesos circulares.
El conjunto de cambios de estado en resultado de los cuales se restablece él (el estado) se llama ciclo.
Recordemos, que si caracterizamos el cuerpo con su presión y volumen, entonces su estado se representa por un punto del diagrama p – V. El cambio de estado se representa en este diagrama con una línea, por ejemplo, la línea AaB del diagrama de la fig. 92. El proceso circular (ciclo) se representa por una línea curva cerrada, por ejemplo, la línea AaBbA. El trabajo realizado en un ciclo es igual a la superficie abarcada por esta curva cerrada (véase la pág. 114, fig. 33).
Principio de Kelvin. Surge la pregunta importante ¿se puede obtener un trabajo, durante el proceso cíclico que sea igual al calor transmitido por la fuente? A primera vista, parece ser que para esto no hay ninguna barrera. Como resultado del ciclo el cuerpo que realizó el trabajo retorna a su estado inicial y, por consiguiente, queda invariable la energía interna y el trabajo deberá ser igual al calor absorbido. Sin embargo, en realidad, un conjunto de datos experimentales, obliga a dar una contestación negativa a la pregunta. Ya en el siglo pasado (año 1854) fue formulado por V. Thomson (Kelvin) en forma del siguiente principio:
Es imposible realizar un proceso cíclico, cuyo único resultado sea la transformación en trabajo del calor quitado de cualquier cuerpo, sin que haya ocurrido ningún cambio en el otro cuerpo o cuerpos.
De acuerdo a este principio, basado en numerosísimos datos experimentales, referentes al trabajo de las máquinas térmicas, el calor quitado a la fuente se puede transformar en trabajo (en el proceso cíclico) con la condición indispensable, de que además de esta transformación deberá cambiarse el estado de cualquier otro cuerpo (o cuerpos). Es decir, en el proceso de transformación del calor en trabajo, además de la fuente de calor, de donde se quita el calor, y del cuerpo que realiza el trabajo, al cual se le entrega directamente el calor, también deberá participar otro cuerpo (o cuerpos)
cualquiera. ¿Qué cuerpo misterioso es ése y cuál es su papel en el proceso de transformación del calor en trabajo?
Como ya sabemos, para la transformación del calor en trabajo, es necesario naturalmente <<quitar>> calor de la fuente y transmitírselo a otro cuerpo de menor temperatura. Pero la simple transmisión no está ligada a ningún trabajo. Por eso, tal transmisión no se realiza, directamente, sino a través de otro cuerpo, que al dilatarse realiza <<de paso>> un trabajo mecánico y regresa a su estado inicial. Él se llama cuerpo de trabajo4, mientras que la fuente se llama calentador y el cuerpo con
temperatura más baja, al cual se le entrega el calor es el refrigerador. Precisamente el refrigerador es <<aquel cuerpo>> del que se habla en el principio de Kelvin. Él por sí mismo no realiza ningún trabajo, pero es necesario, por que el cuerpo de trabajo le debe entregar calor.
La afirmación de que para realizar un trabajo en la máquina cíclica es necesario la participación de dos cuerpos con diferente temperatura se denomina Principio de Carnot.
¿Pero por qué no tuvimos necesidad de este cuerpo complementario que recibe calor, pero no realiza trabajo, cuando hablamos del acto unitario de transformación del calor en trabajo, y por qué no se puede prescindir de él, cuando se trata del proceso cíclico?
La cuestión consiste, evidentemente, en que durante el proceso cíclico, circular, el cuerpo de trabajo, después de que al dilatarse realizó un trabajo a cuenta del calor recibido del calentador, debe volver al estado inicial. Si, por ejemplo, al dilatarse el cuerpo de trabajo, realizando un trabajo, pasa a través de una serie de estados a lo largo de la curva AaB (fig. 92), para que vuelva a su estado inicial es necesario comprimirlo. Pero para esto es necesario realizar un trabajo sobre el cuerpo de trabajo. Pero este trabajo deberá ser menor que el trabajo, realizado por el cuerpo de trabajo durante la dilatación. De otra forma el objetivo del ciclo no será conseguido. Y para que el trabajo durante la compresión sea menor que el trabajo de dilatación, el cuerpo de trabajo debe pasar durante la compresión por una serie de estados por la curva que descansa por debajo de la curva de dilatación, por ejemplo, por la curva BbA de la fig. 92. Pero la curva más baja del diagrama p – V corresponde a una temperatura más baja. Esto significa que el cuerpo de trabajo antes de la compresión debe ser enfriado, de él se debe quitar alguna cantidad de calor y entregárselo al refrigerador. Por eso, ninguna máquina térmica (cíclica) no puede realizarse, solamente, con la fuente de calor y el cuerpo de trabajo.
Si fuese posible limitarse sólo con la fuente de calor y el cuerpo de trabajo, entonces para obtener trabajo podrían utilizarse tales <<fuentes>> de calor, como son el agua de los mares y océanos, la corteza terrestre, la atmósfera de la Tierra, de las cuales se podría tomar una cantidad de calor, prácticamente ilimitada. La máquina que trabajase a base del calor de estas fuentes, que no exige por lo tanto ningún combustible, tendría tanta importancia como el <<perpetuum mobile>> (tal máquina imaginaria se llama perpetuum mobile de segundo género). Sin embargo, ella no está <<prohibida>> por la ley de conservación de la energía, el trabajo se realiza a base del calor. Pero la experiencia muestra, que tal máquina no puede ser construida. Para que trabaje la máquina térmica cíclica es necesario el refrigerador, cuerpo con temperatura más baja que el calentador. Precisamente, la atmósfera, corrientemente, sirve de refrigerador.
A esta cuestión volveremos más adelante.