La segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica, la cual puede expresarse de muchas formas equivalentes, establece cuales procesos pueden ocurrir en la naturaleza y cuáles no. Por ejemplo, cuando un objeto caliente se pone en contacto con uno frío, el calor fluye del más caliente al más frío, pero nunca fluye en forma espontánea de un cuerpo frío a otro caliente. Como segundo ejemplo se puede considerar a una piedra que se suelta desde una cierta altura con respecto al piso y ésta golpea el suelo. La energía potencial inicial cambia a energía cinética conforme cae. Cuando la piedra golpea el suelo, la energía cinética se transforma en energía interna de la piedra y del suelo alrededor del lugar del impacto, aumentando levemente la temperatura de ambos. Pero no se ha visto que ocurra lo contrario, es decir que una piedra en reposo se eleve cuando aumenta la temperatura de la roca y ésta convierta esa energía interna en energía cinética.

Procesos reversibles e irreversibles.

La segunda ley también permite comprender que en la naturaleza, los procesos son irreversibles y nunca son totalmente eficientes. Para entender esto, se debe examinar que es un proceso reversible. Un proceso reversible es aquel en el que cada estado de un sistema entre los estados inicial y final, son estados de equilibrio y que cada estado se puede invertir para ser seguido exactamente a partir del estado final hasta llegar al estado inicial. Un proceso que no satisface estos requisitos es irreversible. Un ejemplo de un proceso irreversible ocurre cuando se deja caer una taza de cerámica desde una mesa, al chocar con el suelo y se rompe espontáneamente, pero los trozos no vuelven a unirse espontáneamente ni la taza nuevamente unida regresa a la mesa.

Por tanto debe existir un principio que indique la dirección en que se puede efectuar un proceso. Este principio se basa en la segunda ley de la termodinámica que dice que procesos no suceden o que nunca se han observado, aunque sean congruentes con la primera ley de la termodinámica. El primero en describir esta propiedad que indica la dirección natural de un proceso fue Rudolf Clasius. Dicha propiedad se denomina entropía.

La Entropía es una medida de cuanta energía o calor es inalcanzable para su conversión en trabajo. La entropía es otra variable de estado de un sistema, al igual que la presión, el volumen y la temperatura. Este concepto es multifacético, con varias interpretaciones físicas distintas:

1. La entropía es una medida de la capacidad de un sistema para efectuar un trabajo útil. Cuando un sistema pierde dicha capacidad, la entropía aumenta.

2. La entropía determina la dirección del tiempo. Es la “flecha del tiempo” que indica el flujo hacia adelante de los sucesos y distingue los sucesos pasados de los futuros.

3. La entropía es una medida del desorden. Un sistema tiende naturalmente hacia un mayor desorden. Cuando más orden hay, la entropía disminuye.

La entropía en un proceso reversible puede permanecer igual, pero en un proceso real, el cambio en la entropía es mayor que cero:

Si el sistema no está aislado, el cambio de entropía del sistema (Ss más el cambio de la entropía del ambiente (Samb, debe ser mayor que cero:

Lo anterior confirma que:

la entropía total en cualquier sistema y sus alrededores aumenta como resultado de cualquier proceso natural.

En el proceso de transferencia de calor de un objeto caliente a uno frío, la entropía aumenta y el orden cambia a desorden. Por ejemplo, en una máquina térmica, los objetos caliente y frío separados servirían como depósitos de alta y baja temperatura y podrían usarse para realizar un trabajo útil. Pero después de que se ponen en contacto uno con otro y alcanzan una temperatura uniforme, no se puede obtener ningún trabajo

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