En los ciclos artificiales, como por ejemplo el ciclo de refrigeración, debido a las irreversibilidades, es necesario aportar energía adicional para que el refrigerante esté disponible en el mismo estado que al principio. Entonces, ¿de dónde viene la energía extra para el ciclo del agua? ¿Tiene irreversibilidad cero?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?
JRT
Puntos
97
Quora Feans
Puntos
111
Como ya se ha señalado, el Sol proporciona el exceso de energía para que el ciclo del agua continúe indefinidamente (o al menos mientras tengamos el Sol). Pero investiguemos esto un poco más.
Aunque parece que el agua en un sistema cerrado sería capaz de evaporarse y condensarse por sí sola gracias a la presión de vapor del agua, hay algunos problemas con esa visión.
Sigue la energía
En primer lugar, se necesita energía para romper los enlaces intermoleculares (en el caso del agua, estos enlaces se llaman enlaces de hidrógeno) entre las moléculas del líquido. Esto hará que el líquido se enfríe y, con ese enfriamiento, la presión de vapor bajará hasta que la atmósfera sobre el líquido se sature.
Pero, "¡Ahá! La energía tomada de la evaporación será devuelta cuando el vapor se condense de nuevo", podría decir. Si bien es cierto que la energía de la evaporación se devuelve en forma de calor al condensarse, para que haya un "ciclo", esta condensación debe producirse en otro lugar (por ejemplo, en lo alto de la atmósfera), lo que significa que la energía se habrá desplazado del líquido al lugar de condensación. En otras palabras, el líquido se está enfriando y el punto de condensación se está calentando. En algún momento estos dos lugares alcanzarán la misma temperatura; cuando esto ocurra, la presión de vapor será la misma en los dos puntos, y no habrá flujo de vapor en ninguna dirección. El sistema ha alcanzado el equilibrio térmico y ya no evolucionará.
Tenga en cuenta que esto ocurriría incluso si dejara que el líquido condensado (caliente) volviera al depósito original, por ejemplo, por gravedad. Porque para que el vapor se condense, es necesario extraer la energía del vapor lo que sólo puede ocurrir si se dispone de una "fuente de frío", es decir, algo frío que absorba la energía de la condensación.
Entonces mira la entropía
En este punto hemos agotado prácticamente el argumento de la energía, que por cierto se llama Primera ley de la termodinámica (la energía total dentro de un sistema cerrado no cambia). Pero debemos tener algún argumento más para explicar por qué el sistema se detendría, o por qué no hay mecanismos que nos permitan mantenerlo en funcionamiento. Por tanto, tenemos que recurrir a la Segunda ley de la termodinámica que dice que la entropía dentro de un sistema cerrado siempre aumentará (o al menos no disminuirá). Esta es siempre la que da miedo, ya que el concepto de entropía es difícil de intuir de forma natural. Pero de todas formas, veamos qué podemos sacar de ella.
Anteriormente dije que la energía fluía con el vapor desde el depósito de líquido hasta el punto de condensación, lo que requeriría una "fuente de frío" en el punto de condensación. Otra forma de decir esto es afirmar que para que el ciclo de vapor funcione, se necesitarían dos temperaturas diferentes, con el depósito teniendo una temperatura más alta que el punto de condensación.
Sin embargo, ahora con la ayuda de la Segunda ley de la termodinámica, el implacable aumento de la entropía dictaría que el sistema evolucionará hacia un estado en el que las temperaturas sean las mismas en todo el sistema, es decir, el equilibrio térmico, terminando así por completo el flujo de energía/vapor.
El ciclo del agua en la atmósfera
Ahora bien, ¿por qué continúa el ciclo del agua en la Tierra si no podría sostenerse en un sistema cerrado?
La respuesta sencilla es que la Tierra y su atmósfera no son un sistema cerrado . Tenemos energía que entra por la radiación del Sol y energía que sale por la Tierra y la atmósfera radiación del cuerpo negro . (Estoy ignorando el calor del núcleo de la Tierra, para no complicar demasiado el razonamiento). Una consecuencia indirecta de la Segunda Ley es que cuando tenemos un flujo de energía/calor, es decir, un gradiente de temperatura, podemos extraer parte de esa energía en una forma útil (llamada "trabajo").
Así que si examinamos la situación de nuestra atmósfera, encontramos que las longitudes de onda cortas de la luz solar pueden penetrar a través de la atmósfera y calentar la tierra y las aguas de la superficie de la Tierra. Esto proporcionará la energía suficiente para que el agua se evapore sin que el depósito se enfríe cada vez más.
Entonces el vapor de agua sube a una capa más alta de la atmósfera, que no ha sido calentada por la luz solar. Sin embargo, la atmósfera sigue irradiando radiación de cuerpo negro que nos proporciona nuestra "fuente de frío" para que el vapor vuelva a condensarse. A partir de aquí, la historia es familiar: el agua condensada acaba lloviendo de nuevo sobre nosotros y el ciclo continúa.
En resumen
La termodinámica requiere un flujo de calor para extraer el trabajo necesario para mantener el ciclo del agua. Este flujo de calor nos lo proporciona el Sol: estamos aprovechando el minúsculo flujo de calor que llega a la Tierra en su camino desde el Sol hacia el espacio exterior.
Febry Ghaisani
Puntos
36
El ciclo requiere una fuente de energía -el Sol- y también una forma de deshacerse de la entropía -esto se hace mediante la radiación de calor al espacio-.
El ciclo del agua implica irreversibilidad en varias etapas, por ejemplo en la turbulencia en la atmósfera, los ríos y el mar; en la química de las plantas; en el flujo de calor a través de diferencias de temperatura finitas, etc. Por tanto, la entropía aumenta. Esta entropía acaba siendo irradiada al espacio a través de la radiación infrarroja del planeta. En general, esto implica un flujo tanto de energía como de entropía, de la siguiente manera.
La luz solar incidente se encuentra principalmente en la parte visible del espectro electromagnético, mientras que la radiación emitida por la Tierra es principalmente infrarroja. El hecho crucial aquí es que en la radiación térmica la cantidad de entropía por julio aumenta con la longitud de onda Así, cuando una determinada cantidad de energía se absorbe primero en luz visible y luego se emite en radiación infrarroja, en conjunto la energía se equilibra mientras se emite más entropía de la que se absorbió. Este proceso permite a la Tierra deshacerse de la entropía sin perder energía en general y sin enfriarse. Este permite mantener procesos como el ciclo del agua.
(He añadido esta respuesta porque consideré que las respuestas existentes eran demasiado largas o demasiado cortas; pero creo que todos estamos de acuerdo con la física).
