¿Qué es un proceso reversible en termodinámica?

Un proceso reversible en termodinámica, es aquel proceso en donde los cambios termodinámicos experimentados por el sistema, ya sea de forma espontánea o por medio de una interacción con otros sistemas, pueden ser revertidos, de modo, que el sistema en estudio puede ser llevado nuevamente a su estado inicial, sin dejar efectos netos en ninguno de los sistemas involucrados.

Cilindro pistón explica el proceso reversible en termodinámica

Un proceso reversible puede explicarse con un cilindro pistón. Imagen de clubautodoc

Este concepto tan simple es de vital importancia para el desarrollo de la termodinámica, ya que permite introducir una clase especial de proceso donde no hay flujo, y que es conocido como reversible.

En este artículo, describiremos el proceso reversible desde el punto de vista termodinámico, y lo ilustraremos con un ejemplo para facilitar la comprensión de este concepto en termodinámica.

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¿Qué es un proceso reversible en termodinámica?

Diagrama explicativo de un proceso reversible. Imagen de youtube

Es aquel proceso en el cual el sistema y sus alrededores, pueden reestablecer exactamente los mismos estados termodinámicos en los que se encontraban inicialmente, antes de que este se iniciara. En otras palabras, es un proceso en el cual puede retrocederse al estado termodinámico inicial regresando a lo largo de la trayectoria de dicho proceso. Una forma mucho más simple de expresar este concepto, es la siguiente:

Un proceso se considera reversible cuando su dirección puede invertirse en cualquier punto por un cambio infinitesimal en las condiciones externas.

La condición necesaria para que un proceso sea reversible es que debe ser un proceso cuasiestático. Devolver un sistema a su estado original es sumamente sencillo, lo difícil es devolver a los alrededores del sistema a su estado inicial. Un ejemplo de ello, es un gas ideal que se expande en el vacío hasta duplicar su volumen original. Podemos empujarlo con un pistón hacia atrás y reestablecer su temperatura y presión intercambiando algo de calor con los alrededores, el inconveniente es que no se puede lograr la restauración del estado inicial del gas ideal sin cambiar a los alrededores, como en este caso, que se le cedió calor.

Un proceso reversible en termodinámica es realmente un proceso ideal que rara vez ocurre. Podemos hacer que un proceso sea casi reversible y utilizar las consecuencias de los correspondientes procesos reversibles como punto de partida, o punto de referencia para facilitar un estudio termodinámico. En realidad, casi todos los procesos son irreversibles y algunas propiedades de sus alrededores serán modificadas cuando se restablezcan las propiedades del sistema. El ejemplo que dimos anteriormente, de la expansión de un gas ideal, es irreversible ya que el proceso ni siquiera es cuasiestático, es decir, no se encuentra en estado de equilibrio en ningún momento de la expansión. Para comprenderlo mejor, estudiaremos con más detalle el ejemplo de la expansión del gas a continuación:

Ilustración de un proceso reversible

Ilustración de un proceso reversible. Imagen de engineeringarchives

Imaginemos que tenemos un gas ideal dentro de un cilindro pistón, al cual, idealizaremos considerando que no existe fricción entre las paredes del cilindro y el pistón. Asimismo, se considera que no existen interacciones de calor con los alrededores, además de estar inmerso dicho aparato en una zona donde se ha hecho vacío, considerando como sistema al gas ideal, y todo lo demás se considerará alrededores de dicho sistema. También, consideraremos los efectos de la gravedad sobre el gas despreciables.

Una vez tomadas todas las consideraciones, tomaremos como estado inicial una posición en la cual la presión del gas dentro del cilindro sea suficiente para balancear el peso del pistón y todo lo que este soporta, este será un punto de equilibro, ya que el sistema no experimenta ninguna tendencia a cambiar, creando la condición cuasiestática necesaria para tener un proceso reversible.

Ahora, para lograr la expansión del gas es necesario retirar masa que se encuentre sobre el pistón, para que de esta manera, la presión del gas pueda superar el peso del pistón y pueda empujarlo hacia arriba, expandiendo así el volumen del gas dentro del cilindro. Esta expansión continuará hasta que se equilibren nuevamente la presión del gas dentro del cilindro y el peso del pistón, deteniendo la expansión y la subida del pistón.

Este proceso disipativo transforma parte del trabajo hecho inicialmente por el gas para acelerar al pistón en energía interna. Una vez que se inicia el proceso, ningún cambio infinitesimal en las condiciones externas podrá revertir la dirección, por lo tanto, el proceso será irreversible. De hecho, todos los procesos que se llevan a cabo con sustancias reales presentan cierto grado de efectos disipativos de una clase u otra, por lo tanto, son irreversibles.

Sin embargo, podemos imaginar procesos que se encuentren libres de estos efectos disipativos. Para este ejemplo de la expansión del gas dentro del cilindro pistón, estos efectos tienen su origen en el retiro de masa del pistón, de modo, que se crea un desbalance en las fuerzas que actúan sobre este, que lleva al sistema a acelerar al pistón hacia arriba, hasta reestablecer nuevamente la condición de equilibrio.

Ahora, si se realizan retiros infinitesimales de masa del pistón, de manera rápida, uno detrás de otro, de tal modo que la elevación del pistón sea continua y las oscilaciones de este sean solo apreciables al final del proceso, estaríamos recreando un proceso reversible, ya que el sistema sólo se desplaza diferencialmente. De esta manera, se podrá invertir el proceso adicionado cantidades infinitesimales de masa al pistón y regresarlo a lo largo de la trayectoria original hasta llegar al estado inicial, tanto del sistema como de sus alrededores, logrando un proceso reversible. Nótese que este proceso reversible sólo se puede lograr, ya que se consideró que no existe fricción entre el pistón y las paredes del cilindro, en caso contrario, no se hubiese podido lograr el proceso reversible.

Resumen de un proceso reversible en termodinámica

Cilindro pistón hidráulico. Imagen de cadcrow

Podemos decir, que un proceso reversible en termodinámica debe contar con las siguientes características:

No debe presentar fricción de ningún tipo
El sistema no debe salirse del equilibro más que de manera diferencial
El sistema debe recorrer una sucesión de estados de equilibrio
Las fuerzas impulsoras deben mantener una magnitud diferencial
La dirección del proceso puede invertirse en cualquier punto mediante un cambio diferencial en las condiciones externas

Para el ejemplo descrito anteriormente, del gas dentro del cilindro pistón, la expansión o compresión de un gas provocado por un desplazamiento diferencial puede expresarse mediante la expresión matemática:

Donde:

W: Trabajo experimentado por el sistema
P: Presión del sistema
V: Volumen del sistema

El trabajo hecho sobre el sistema viene dado por esta ecuación, siempre y cuando el sistema cuente con las características de un proceso reversible, siendo la principal característica el desplazamiento infinitesimal a partir de un estado de equilibrio interno, donde la temperatura y la presión sean uniformes. De este modo, podemos tener un sistema que cuente con un conjunto identificable de propiedades.

Además, se debe tener en cuenta que al presentarse sólo desplazamientos infinitesimales desde el punto de equilibrio mecánico, la presión del gas se desbalanceará sólo levemente con la fuerza externa, por lo tanto, podemos considerar que:

Donde:

P: Presión del sistema
A: Área de la sección transversal del cilindro

Los procesos que cumplen con estos requisitos se conocen como mecánicamente reversibles. Para este tipo de procesos podemos expresar el trabajo mediante la siguiente expresión matemática:

El proceso reversible es un proceso ideal, ya que no existe en la práctica un proceso que cumpla con todas las características de un proceso reversible. En termodinámica lo que suele hacerse es calcular el trabajo hecho para procesos reversibles, debido a lo sencillo que es realizar un análisis matemático de este tipo.

En la realidad, el ingeniero sólo tiene dos opciones, o realizar este tipo de cálculos mediante consideraciones de reversibilidad, o no realizar ningún tipo de cálculo. La combinación de resultados para procesos reversibles y de eficiencias apropiadas permiten realizar aproximaciones bastante cercanas al trabajo de un proceso real, por lo tanto, se pueden considerar como aproximaciones muy razonables.

Ejemplo de un proceso reversible

Un cilindro-pistón de orientación horizontal se sumerge dentro de un baño que lo mantiene a una temperatura constante. El pistón se desplaza por el cilindro con una fricción despreciable y una fuerza externa lo mantiene en su lugar. Esta fuerza es contraria a la presión del gas contenido dentro del cilindro, la cual es de 14 bar. El volumen inicial del gas es 0.03 m3. Si la fuerza externa disminuye de manera gradual, de modo, que el gas se expande al doble de su volumen inicial, calcular el trabajo hecho por el gas al cambiar la fuerza externa. Considerar PV constante.

Solución

Consideraremos el proceso reversible, ya que el cambio del sistema será hecho con lentitud y de manera infinitesimal, por lo tanto, podemos utilizar la ecuación (3). Al ser PV constante, podemos expresar P de la siguiente manera: