Desde las primeras máquinas de vapor hasta los modernos motores de los coches, los motores han sido durante mucho tiempo la fuerza impulsora de la ingeniería, es decir, el campo está literalmente nombrado en su honor. Los motores nos proporcionan energía que podemos utilizar para todo tipo de cosas y cómo optimizarlos es uno de los problemas centrales de la ingeniería. Una de las claves para resolverlo es el concepto de reversibilidad. Cuanto más reversible sea un sistema, menos trabajo necesita de su entorno. En otras palabras, un sistema más reversible necesita menos combustible para seguir funcionando. Entonces, si estás tratando de construir el mejor motor posible, la reversibilidad es un buen punto de partida.
Los motores impulsan nuestra sociedad y muchas de las máquinas que usamos a diario, y dentro de muchos de nuestros motores hay pistones. Los pistones son discos o partes cilíndricas que se mueven hacia adelante y hacia atrás en un cilindro contra un líquido o un gas. En un motor de combustión interna, como el que se encuentra debajo del capó de la mayoría de los coches, los pistones son empujados por los gases en expansión en el cilindro, lo que hace girar un tipo de eje o rueda. Esto convierte su movimiento lineal repetitivo en una rotación que ayuda a alimentar el motor.
Cuando se trata de una máquina o mecanismo simple, como un pistón, hay dos tipos principales de energía que se pueden agregar o extraer del sistema: calor y trabajo. Probablemente tengas una idea bastante clara de lo que es el calor. En pocas palabras, es energía térmica. Es lo que sientes cuando sales al sol o te acercas a un fuego cálido. En ingeniería, definimos el calor con la letra «q». El trabajo, representado por la letra «w», es un poco más complejo. Es esencialmente cualquier tipo de energía que no sea calor y que ingrese a un sistema. Una forma de medirlo es por la cantidad de fuerza que se aplica sobre una distancia.
Hay diferentes tipos de trabajo con los que probablemente te encontrarás como ingeniero, pero en todos ellos la idea es que al poner trabajo en un sistema, puedes obtener algún trabajo de salida, generalmente en una forma más útil. Uno de los tipos es el trabajo a volumen de presión, que tiene que ver con la expansión y compresión de la materia. Aplicar presión a una bola antiestrés es un buen ejemplo. Según la presión que se aplique a la bola, el cambio de volumen indica cuánto trabajo se pudo lograr. Cuando se expande la bola antiestrés, diríamos que el trabajo es negativo porque lo hace la bola. Cuando se comprime, el trabajo es positivo porque se está haciendo sobre la bola.
Los pistones también involucran el trabajo a volumen de presión. En un coche, por ejemplo, el trabajo realizado en el sistema proviene del combustible, que calienta el gas en el cilindro cuando se enciende. A medida que el gas se expande, realiza trabajo con la presión aumentada que empuja el pistón hacia arriba. Luego, el gas se enfría nuevamente y el pistón se mueve hacia abajo. Este ciclo produce trabajo que hace girar el eje o la rueda.
Otro tipo de trabajo es el trabajo del eje, que es cuando un eje o una hélice gira a través de un líquido o un gas. También está el trabajo eléctrico, que es el trabajo realizado en una partícula cargada por un campo eléctrico. Puedes pensarlo como la descarga de una batería. Mientras ves este artículo, hay trabajo eléctrico en tu teléfono o computadora.
Gran parte de la ingeniería consiste en optimizar las máquinas y los procesos para producir la mayor cantidad de trabajo con la menor cantidad de entrada posible. Cuanto más trabajo utiliza una máquina, más necesitas obtener de ella para que valga la pena. Es como un trabajo, cuanto más tiempo y esfuerzo le dediques, más querrás que te paguen. Por eso, trabajar y optimizar con máquinas se trata de reversibilidad. Nunca obtendrás más energía del sistema de la que se ha introducido, eso violaría la ley de conservación de la energía. Pero si un proceso es reversible, eso significa que puede volver a su estado inicial y comenzar de nuevo sin necesidad de trabajo adicional. En otras palabras, cuando un proceso es reversible, estás maximizando la cantidad de trabajo que obtienes por tu entrada.
Pero los procesos reversibles son imposibles en la vida real. Requieren cambios lentos, constantes e increíblemente pequeños para asegurarse de que no cambies permanentemente el sistema de una manera que no puedas revertir sin agregar trabajo adicional, lo que requeriría una cantidad infinita de tiempo. Por lo tanto, en el mundo real, todos los procesos que involucran trabajo son irreversibles. Pueden reiniciarse en cierta medida, pero necesitas poner un poco más de esfuerzo para llegar hasta allí. Un proceso reversible es más como el mejor escenario posible, uno al que puedes acercarte pero nunca alcanzar. En ingeniería, no se trata tanto de si un proceso es reversible, sino qué tan reversible es. Cuanto más cerca puedas estar de la reversibilidad, más eficiente y óptimo será el proceso. Para entender lo que quiero decir, volvamos a ese pistón.
Quieres que el pistón se mueva hacia arriba y hacia abajo en el cilindro para hacer girar un cigüeñal y generar energía. También hay gas en el cilindro. Al subir el pistón, expandes el gas y al bajarlo, comprimes el gas. Cuando el gas está comprimido, se expandirá por sí mismo, pero no se comprimirá nuevamente a menos que se le aplique una fuerza. Es como la pelota antiestrés, después de apretarla, se expande de nuevo a su tamaño original, pero la pelota no se colapsará por sí misma sin una fuerza externa.
Digamos que este pistón está diseñado de manera que la fuerza que comprime el pistón proviene de un ladrillo. Cuando retiras el ladrillo, el gas debajo del pistón se expandirá libremente y el pistón se elevará. Pero para hacer que el gas se comprima nuevamente y el pistón descienda, necesitas levantar el ladrillo y ponerlo de nuevo sobre el pistón. Ya que el sistema necesita trabajo externo para volver a su estado inicial con el gas comprimido, este proceso es irreversible.
Ahora supongamos que intentas romper el ladrillo en dos. El sistema comienza de la misma manera que antes, con el gas comprimido por el peso del ladrillo completo. Luego quitas media parte del ladrillo y lo dejas justo donde estaba el pistón, cerca del fondo del cilindro. El gas se expande pero no empuja el pistón tan lejos, ya que todavía hay medio ladrillo que lo mantiene abajo. Luego quitas la otra media parte del ladrillo y, al igual que la primera, la dejas a la misma altura, digamos en un estante junto al pistón o algo así.
Esto permite que el gas se expanda tanto como cuando usabas un ladrillo completo para empujar completamente el pistón hacia arriba. Pero piensa en la cantidad de trabajo que se requerirá para revertir este proceso y hacer que el pistón descienda. Antes tenías que levantar todo el ladrillo desde donde comenzó el pistón hasta donde se detuvo cuando el gas ya no se estaba expandiendo. Pero esta vez, media parte del ladrillo ya está arriba del cilindro porque es donde lo quitaste. Así que comienzas levantando esa mitad del ladrillo hasta la parte superior, lo que comprime el gas y empuja el pistón hacia abajo.
Luego levantas la otra mitad del ladrillo hasta donde está el pistón en ese momento, empujando el pistón hacia abajo y llevándolo de regreso al punto de partida. En lugar de tener que levantar el ladrillo completo hasta arriba del pistón, ahora efectivamente solo tienes que levantar media parte del ladrillo hasta arriba del pistón. Solo tomó dos pasos en lugar de uno, lo que significa mucho menos trabajo y eso hace que el proceso sea mucho menos irreversible que con un ladrillo completo.
Otro tipo de trabajo es el trabajo del eje, que es cuando un eje o una hélice gira a través de un líquido o un gas. También está el trabajo eléctrico, que es el trabajo realizado en una partícula cargada por un campo eléctrico. Puedes pensarlo como la descarga de una batería. Mientras ves este artículo, hay trabajo eléctrico en tu teléfono o computadora.
Gran parte de la ingeniería consiste en optimizar las máquinas y los procesos para producir la mayor cantidad de trabajo con la menor cantidad de entrada posible. Cuanto más trabajo utiliza una máquina, más necesitas obtener de ella para que valga la pena. Es como un trabajo, cuanto más tiempo y esfuerzo le dediques, más querrás que te paguen. Por eso, trabajar y optimizar con máquinas se trata de reversibilidad.
Nunca obtendrás más energía del sistema de la que se ha introducido, eso violaría la ley de conservación de la energía. Pero si un proceso es reversible, eso significa que puede volver a su estado inicial y comenzar de nuevo sin necesidad de trabajo adicional. En otras palabras, cuando un proceso es reversible, estás maximizando la cantidad de trabajo que obtienes por tu entrada.
Pero los procesos reversibles son imposibles en la vida real. Requieren cambios lentos, constantes e increíblemente pequeños para asegurarse de que no cambies permanentemente el sistema de una manera que no puedas revertir sin agregar trabajo adicional, lo que requeriría una cantidad infinita de tiempo. Por lo tanto, en el mundo real, todos los procesos que involucran trabajo son irreversibles.
Pueden reiniciarse en cierta medida, pero necesitas poner un poco más de esfuerzo para llegar hasta allí. Un proceso reversible es más como el mejor escenario posible, uno al que puedes acercarte pero nunca alcanzar. En ingeniería, no se trata tanto de si un proceso es reversible, sino qué tan reversible es. Cuanto más cerca puedas estar de la reversibilidad, más eficiente y óptimo será el proceso. Para entender lo que quiero decir, volvamos a ese pistón.
Quieres que el pistón se mueva hacia arriba y hacia abajo en el cilindro para hacer girar un cigüeñal y generar energía. También hay gas en el cilindro. Al subir el pistón, expandes el gas y al bajarlo, comprimes el gas. Cuando el gas está comprimido, se expandirá por sí mismo, pero no se comprimirá nuevamente a menos que se le aplique una fuerza. Es como la pelota antiestrés, después de apretarla, se expande de nuevo a su tamaño original, pero la pelota no se colapsará por sí misma sin una fuerza externa.
Digamos que este pistón está diseñado de manera que la fuerza que comprime el pistón proviene de un ladrillo. Cuando retiras el ladrillo, el gas debajo del pistón se expandirá libremente y el pistón se elevará. Pero para hacer que el gas se comprima nuevamente y el pistón descienda, necesitas levantar el ladrillo y ponerlo de nuevo sobre el pistón. Ya que el sistema necesita trabajo externo para volver a su estado inicial con el gas comprimido, este proceso es irreversible.
Ahora supongamos que intentas romper el ladrillo en dos. El sistema comienza de la misma manera que antes, con el gas comprimido por el peso del ladrillo completo. Luego quitas media parte del ladrillo y lo dejas justo donde estaba el pistón, cerca del fondo del cilindro. El gas se expande pero no empuja el pistón tan lejos, ya que todavía hay medio ladrillo que lo mantiene abajo. Luego quitas la otra media parte del ladrillo y, al igual que la primera, la dejas a la misma altura, digamos en un estante junto al pistón o algo así.
Esto permite que el gas se expanda tanto como cuando usabas un ladrillo completo para empujar completamente el pistón hacia arriba. Pero piensa en la cantidad de trabajo que se requerirá para revertir este proceso y hacer que el pistón descienda. Antes tenías que levantar todo el ladrillo desde donde comenzó el pistón hasta donde se detuvo cuando el gas ya no se estaba expandiendo. Pero esta vez, media parte del ladrillo ya está arriba del cilindro porque es donde lo quitaste.
Así que comienzas levantando esa mitad del ladrillo hasta la parte superior, lo que comprime el gas y empuja el pistón hacia abajo. Luego levantas la otra mitad del ladrillo hasta donde está el pistón en ese momento, empujando el pistón hacia abajo y llevándolo de regreso al punto de partida. En lugar de tener que levantar el ladrillo completo hasta arriba del pistón, ahora efectivamente solo tienes que levantar media parte del ladrillo hasta arriba del pistón. Solo tomó dos pasos en lugar de uno, lo que significa mucho menos trabajo y eso hace que el proceso sea mucho menos irreversible que con un ladrillo completo.
Otra forma de mejorar la reversibilidad es descomponer el ladrillo en trozos cada vez más pequeños. Eventualmente, puedes convertirlo en granos de arena infinitamente pequeños. Esta vez, comienzas con un montón de arena con el mismo peso que el ladrillo completo que empuja el pistón hacia abajo. Luego quitas un grano de arena a la vez, dejando cada grano a la misma altura donde estaba el pistón cuando lo quitaste.
Gradualmente, el pistón se eleva, produciendo trabajo. Pero cada movimiento es tan pequeño que, para revertir el proceso y mover el pistón hacia abajo, todo lo que realmente tienes que hacer es desplazar cada grano de arena hacia los lados. Recuerda que estamos hablando de incrementos infinitamente pequeños, por lo que efectivamente no estás levantando nada. Puedes seguir desplazando los granos de arena hacia los lados y lentamente el peso sobre el pistón aumentará, comprimiendo el gas y volviendo al punto de partida.
Esto definitivamente requiere menos trabajo que levantar un ladrillo completo o incluso media parte. De hecho, aparte de ese grano que levantaste desde abajo hasta arriba, la cantidad de trabajo necesaria para poner cada grano de arena de nuevo en el pistón es exactamente la misma que el trabajo producido cuando lo quitaste.
Todo está sucediendo tan lentamente y gradualmente que no estás perdiendo energía en forma de calor, lo que significa que no necesitas agregar trabajo para reemplazar esa energía perdida. Por lo tanto, no necesitas agregar ningún trabajo externo para empujar el pistón hacia abajo y puedes usar la misma cantidad de trabajo producido por el sistema para volver exactamente al punto de partida.
Así que ahí lo tienes, un proceso reversible. Esto sería prácticamente imposible de lograr en la vida real. Por un lado, no puedes tener granos de arena infinitamente pequeños, incluso una sola molécula no es infinitamente pequeña. Además, necesitarías un tiempo infinito para completar todos estos pasos infinitamente pequeños.
Pero a medida que descompones el ladrillo en trozos cada vez más pequeños, puedes acercarte cada vez más. También es importante destacar que cuanto más te acerques a la versión reversible de este proceso, más tiempo te llevará, lo que no sería útil para la mayoría de las aplicaciones.
Si este tipo de pistón estuviera en el motor de tu coche, sería mejor que caminaras. Por lo tanto, la reversibilidad suena bien, pero debes trabajar con sistemas irreversibles si realmente quieres lograr algo como ingeniero. El objetivo es descubrir qué tan cerca puedes llegar a que un sistema sea reversible sin perder eficiencia, esfuerzo y costo, lo que nos lleva a la eficiencia.
En general, la eficiencia de cualquier sistema es la relación de lo que obtienes de él en comparación con lo que tienes que poner en él. Tendrá un valor que oscilará entre cero por ciento y cien por ciento, siendo cien por ciento la máxima eficiencia. En este caso, la eficiencia ayuda a cuantificar qué tan cerca está el sistema de ser perfectamente reversible. Es la cantidad de trabajo producido por el sistema que estás examinando como un porcentaje de la cantidad de trabajo que produciría el sistema reversible ideal pero imposible.
El resultado es eta, la eficiencia. Si algo tiene una eficiencia del 100%, eso significa que es un sistema completamente reversible. Si tiene una eficiencia del 0%, es totalmente irreversible. Puedes ver cuán importante es la eficiencia al volver a los coches y los motores. Cuanto más eficiente sea tu vehículo, más energía podrás obtener de tu combustible y más lejos podrás llegar con un tanque de gasolina.
Por eso es necesario mantener una eficiencia relativamente alta en la mayoría de los sistemas de ingeniería y es especialmente importante cuando deseas mantener un proceso durante mucho tiempo, como un viaje por carretera a lo largo del país. Pero a veces tendrás que sacrificar la eficiencia para lograr tus objetivos. Es posible que necesites poner mucho trabajo en un sistema para hacer algo rápidamente o obtener una gran salida.
Piensa en una carrera de drag. Con frecuencia, convertir entre tipos de energía puede ser más importante que obtener una gran salida para tu entrada, como convertir un calambre de mano para obtener una pequeña cantidad de electricidad cuando se produce un corte de energía. En estas situaciones, convertir la energía podría valer la baja eficiencia. La ingeniería se trata de tomar decisiones. Es genial cuando puedes tener grandes resultados en todos los aspectos, pero eso probablemente no sucederá muy a menudo.
