3. Types of Compression:
4.2 Decoding of Huffman Code:
Los conceptos de equilibrio, de la reversibilidad e irreversibilidad de los procesos son generales y se refieren a todos los procesos que se realizan en la naturaleza.
Uno de los procesos que se realizan frecuentemente en la naturaleza, al pasar cualquier sistema al equilibrio, es la transformación de la energía mecánica en calor. Un ejemplo de tal transformación es la segregación de calor durante el rozamiento. Recordemos que de aquí en adelante llamaremos energía macroscópica a la energía mecánica, es decir, a la energía cinética del movimiento de los cuerpos a su energía potencial, condicionada por las fuerzas que actúan sobre estos cuerpos. En contraposición a esto, la energía cinética de los movimientos térmicos de las moléculas y la energía potencial de su interacción se llama energía interna. Es decir, la segregación de calor a cuenta de la energía mecánica es el proceso de transformación de la energía macroscópica en la energía de los movimientos térmicos microscópicos. Inversa a este proceso es la transformación de calor en energía mecánica, o lo que es lo mismo, la obtención de energía mecánica a cuenta del calor. A su tiempo, la invención de los métodos para obtener trabajo mecánico a cuenta del calor fue el principio de una nueva época en la historia de la civilización. En nuestros tiempos comenzó una época no menos importante de la utilización de la energía nuclear para obtener trabajo. Pero la energía nuclear en la actualidad se transforma en trabajo mecánico no directamente, sino de nuevo, a través del calor. Con esto se determina la importancia del estudio de las leyes generales que dirigen los procesos de transformación mutua de la energía mecánica y térmica.
La Termodinámica nació, históricamente, como un apartado de la Física que estudiaba la ligazón entre las energías mecánica y térmica. En su desarrollo posterior la Termodinámica se ha hecho una ciencia, que estudia la ligazón entre la energía térmica y todas las demás formas de energía: química, eléctrica, energía de irradiación, etc.
En los siguientes párrafos nos limitaremos al examen de las leyes generales, que ligan las energías térmica y mecánica.
3.6. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
La primera ley que liga la energía mecánica y térmica, es la ley de conservación de la energía, que ya examinamos detalladamente en su aplicación al gas ideal (véase la pág. 111). Esta ley se llama primer principio de la Termodinámica. Recordaremos aquí el contenido de esta ley.
Si el estado de un sistema se cambia a consecuencia de aportarle una determinada cantidad de calor dQ, y con este cambio el sistema realiza un trabajo dA, entonces la ley de conservación de la energía dice así: la cantidad de calor aportado es igual a la suma del trabajo realizado y del cambio de la energía interna del sistema. La ley de conservación de la energía se expresa matemáticamente en la forma:
.
dA
dU
Como hemos visto
.
pdV
dA=
La fórmula (78.1) se puede también escribir así:
.
dA
dQ
dU
=
−
Si se trata no de un cambio pequeño, sino del cambio macroscópico del estado, entonces, es necesario sumar todos los dQ y todos los dA y calcular de tal modo el cambio de energía interna durante el paso del sistema, por ejemplo, del estado 1 al estado 2:
.
2 1 2 1 2 1∫
∫dU
=∫dQ−
dA
Aquí es importante señalar que la cantidad de calor aportado, así como también el trabajo realizado por el sistema (o sobre él), depende de qué modo precisamente se realizó el paso del estado 1 al estado 2. El cambio de la energía dU, evidentemente, no depende del camino del paso, sino sólo de los estados inicial y final. Por eso, se puede escribir que
,
2 1 2 1 1 2 2 1∫
∫
∫dU
=U
−U
=
dQ−
dA
pero no se puede escribir
∫
2=
−
1 1 2Q
Q
dQ
ó 2 1 2 1A
A
dA=
−
∫
Esto significa, que el sistema en cada estado posee un determinado valor de la energía interna U, pero no se puede decir que él posee una determinada cantidad de valor o de trabajo. Por eso, la energía interna se llama función de estado. Pero ni Q ni A son funciones de estado, sino del proceso de cambio de estado3.
Tienen una importancia especial los llamados procesos cíclicos (o circulares) durante los cuales, el sistema, pasando por una serie de estados, retorna a su estado inicial. En este caso
∫dU
=0.
Pero esto no significa naturalmente que Q y A también son iguales a cero. En el proceso cíclico el cuerpo puede recibir o entregar una cierta cantidad de calor, puede realizar un trabajo, o el trabajo puede ser realizado sobre él, pero el cambio de energía interna será igual a cero.En este caso, el primer principio de la Termodinámica se escribe así:
∫dQ=∫dA,
donde el signo
∫
significa la integración por el contorno cerrado.El primer principio de la Termodinámica es igualmente aplicable a los procesos en equilibrio y no en equilibrio. A pesar de que lo últimos no pueden ser representados en forma de curva, los estados inicial y final del sistema también están, en este caso, completamente determinados.
Recordemos aquí las relaciones fundamentales que obtuvimos aplicando el primer principio de la Termodinámica al gas ideal.
El trabajo realizado por un mol del gas ideal, durante su dilatación isotérmica desde el volumen V1 hasta el volumen V2 es igual a:
.
ln
1 2V
V
RT
A=
Si la temperatura del gas cae desde T1 hasta T2 durante la dilatación adiabática, el
trabajo (referido a 1 mol) realizado por el gas es igual a:
1
)
(
1 2−
−
=
γ
T
T
R
A
Aquí v pC
C
=
γ
es la relación entre la capacidad calorífica para una presión constante y la capacidad calorífica para un volumen constante. Recordemos que las fórmulas expuestas se refieren al caso, cuando el cambio de estado del gas se realizó cuasiestáticamente, es decir, por un camino reversible.Es importante señalar que el primer principio de la Termodinámica no indica en qué dirección van los procesos de cambio de estado. Desde el punto de vista del primer principio, el calor, por ejemplo, puede pasar del cuerpo caliente al frío, y del frío al caliente. Sólo es necesario que la energía entregada por un cuerpo y la recibida por el otro sean iguales una a otra. La irreversibilidad de los procesos de la naturaleza no se deduce, por consiguiente, del primer principio de la Termodinámica.
Las relaciones expuestas anteriormente permiten calcular la cantidad de calor segregada como resultado de la realización de trabajo mecánico. Como se sabe, puede considerarse resultado del trabajo mecánico realizado la aparición de una cantidad de calor igual a él. Esto significa que la energía del movimiento macroscópico se transforma por completo en energía de los movimientos microscópicos de las moléculas de substancia.
Examinemos ahora el proceso inverso de la transformación del calor en trabajo mecánico.