¿Cómo el flujo de calor a través de una caída de temperatura finita es un proceso irreversible?

Un flujo de calor a través de una diferencia finita de temperatura es irreversible porque no satisface la definición de reversibilidad.

Un proceso termodinámico es reversible si un cambio infinitesimal de las condiciones externas invierte el proceso. Para ilustrar, consideremos un sistema a temperatura$T$en equilibrio térmico -es decir a la misma temperatura- con un depósito térmico. Un aumento infinitesimal de la temperatura.$dT$del depósito provoca un flujo de calor hacia el cuerpo, que se calienta por la misma$dT$. Si ahora se invierte la condición externa, es decir, hay una disminución infinitesimal de la temperatura del depósito, entonces el flujo de calor también se invierte, va del cuerpo al depósito.

Esto no sucederá para una diferencia de temperatura finita. Digamos que el depósito es$1+dT$grado por encima del cuerpo. El calor fluye hacia el cuerpo. Disminuir la temperatura del depósito en$dT$y el flujo de calor no se invierte. Esto es lo que se entiende por intercambio de calor irreversible.

Tenga en cuenta que esta definición es de crucial importancia cuando se trata de motores térmicos. Esta reversibilidad es la que permite, por ejemplo, que una máquina térmica de Carnot funcione también como un frigorífico de Carnot.

Pensar. ¿Puede el calor fluir desde el interior de un refrigerador hacia una estufa caliente si coloca una barra de hierro de esa manera?

De acuerdo con la ecuación de la corriente térmica,

$$I = \frac{\Delta T}{R}$$ siempre es positivo. Para $I$para ser positivo, la diferencia de temperatura debe ser positiva. Es decir, la corriente térmica fluye de una fuente de mayor temperatura a otra de menor temperatura.

La caída/aumento de la temperatura por el flujo de calor. ¿Es necesario que sea irreversible?

Siempre es irreversible para todo proceso termodinámico físico real (esto es cualquier proceso termodinámico que no sea un 'ideal teórico', que no existe en la realidad). Así que tu pregunta realmente no tiene sentido.

Sin embargo, dado que la entropía de todo proceso termodinámico físico real es siempre mayor que cero, esto podría considerarse como una 'necesidad' de que el flujo de calor es irreversible.

Supongamos que tenemos un cuerpo caliente a temperatura$T_H$y un cuerpo frío a temperatura$T_C$. El calor fluirá del cuerpo caliente al cuerpo frío. ¿Qué haría falta para revertir este proceso? Necesitaríamos un frigorífico o una bomba de calor para mover la energía en sentido contrario del cuerpo frío al cuerpo caliente. Sin embargo, recordemos la declaración de Clausius

Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente.

Por lo tanto, esta bomba de calor requeriría algo de trabajo del entorno durante el proceso inverso y el entorno se modificará durante el proceso. Pero recuerde que la definición de un proceso reversible es aquella en la que el sistema experimenta un proceso y vuelve a su estado inicial sin cambios en el entorno .

Por lo tanto, la transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita no puede ser reversible.

Ahora, supongamos que$T_H=T_C+\Delta T$. ¿Cuál es el trabajo requerido de la bomba de calor como$\Delta T \to dT \to 0$? El trabajo debe acercarse$W \to 0$, en cuyo caso el trabajo requerido del entorno es cero y el proceso es reversible.

De Fundamentos de Termodinámica por Sonntag,

Un proceso de transferencia de calor se aproxima a un proceso reversible cuando la diferencia de temperatura entre los dos cuerpos se aproxima a cero. Por lo tanto, definimos un proceso de transferencia de calor reversible como aquel en el que el calor se transfiere a través de una diferencia de temperatura infinitesimal. Nos damos cuenta, por supuesto, de que transferir una cantidad finita de calor a través de una diferencia de temperatura infinitesimal requeriría una cantidad infinita de tiempo o un área infinita. Por lo tanto, todas las transferencias de calor reales se realizan a través de una diferencia de temperatura finita y, por lo tanto, son irreversibles, y cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será la irreversibilidad. Sin embargo, encontraremos que el concepto de transferencia de calor reversible es muy útil para describir procesos ideales.