Termodinamica

Objetivos:

La investigación tiene como fin conocer la entropía más a fondo y desde una perspectiva más cotidiana, esto quiere decir que relacionaremos la entropía con objetos comunes de la vida cotidiana.

Introducción:

En termodinámica, la entropía es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. La palabra entropía procede del griego (ἐντροπία) y significa evolución o transformación. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la desarrolló durante la década de 1850 y Ludwig Boltzmann, quien encontró en 1877 la manera de expresar matemáticamente este concepto, desde el punto de vista de la probabilidad.

La idea de "irreversibilidad" es fundamental para la comprensión de la entropía. Todo el mundo tiene una comprensión intuitiva de la irreversibilidad - si uno mira una película de la vida cotidiana en marcha adelante y en marcha atrás, es fácil distinguir entre los dos. La película que se ejecuta en reverso muestra cosas imposibles acontecimiento - el agua saltando de un vaso en una jarra por encima de ella, humo pasando por una chimenea, agua "unmelting" para formar hielo, se estrelló coches volver a montar ellos mismos, y así sucesivamente. En termodinámica, se dice que los procesos de "forward" - verter agua de una jarra, humo que sube de una chimenea, etc son "irreversibles" - no pueden suceder a la inversa, a pesar de que, a nivel microscópico, hay leyes de la física son siendo violados. Todos los procesos físicos reales que implican los sistemas en la vida cotidiana, con muchos átomos o moléculas, son irreversibles. Para un proceso irreversible, el parámetro termodinámico conocido como entropía es siempre creciente. La razón de que el vídeo hacia atrás se reconoce tan fácilmente es porque muestra los procesos para los que la entropía está disminuyendo, lo cual es físicamente imposible. En la vida cotidiana, puede haber procesos en los que el aumento de entropía es prácticamente inobservable, casi cero. En estos casos, una película del proceso de correr hacia atrás no se parece poco probable. Por ejemplo, en un 1-segundo vídeo de la colisión de dos bolas de billar, será difícil distinguir el hacia adelante y hacia atrás el caso, debido a que el aumento de entropía durante ese tiempo es relativamente pequeña. En la termodinámica, se dice que este proceso es prácticamente "reversibles", con un aumento de entropía que es prácticamente cero. La declaración de que la entropía nunca disminuye se encuentra en la segunda ley de la termodinámica.

En un sistema físico, la entropía proporciona una medida de la cantidad de energía térmica que no se puede utilizar para hacer el trabajo. En algunas otras definiciones de la entropía, que es una medida de la energía se distribuye de manera uniforme en un sistema.

El concepto de entropía es central a la segunda ley de la termodinámica. La segunda ley establece que pueden ocurrir procesos físicos. Por ejemplo, se predice que el flujo de calor desde una región de alta temperatura a una región de baja temperatura es un proceso espontáneo - se puede proceder a lo largo sin necesidad de ningún tipo de energía externa adicional. Cuando se produce este proceso, la región caliente se enfría y se convierte en la región fría más caliente. El calor se distribuye de manera más uniforme en todo el sistema y la capacidad del sistema para hacer el trabajo ha disminuido debido a la diferencia de temperatura entre la zona caliente y la zona fría ha disminuido. Volviendo a nuestra definición de la entropía, podemos ver que la entropía de este sistema ha aumentado. Por lo tanto, la segunda ley de la termodinámica se puede afirmar que decir que la entropía de un sistema aislado siempre aumenta, y este tipo de procesos que aumentan la entropía puede ocurrir espontáneamente. Dado que la entropía se incrementa a medida que aumenta la uniformidad, la segunda ley dice que incrementa la uniformidad cualitativa.

El término entropía fue acuñado en 1865 por el físico alemán Rudolf Clausius, de las palabras griegas en-, "en", y tropo "un giro", en analogía con la energía.

Desarrollo:

El concepto de entropía termodinámica surge de la segunda ley de la termodinámica. Se utiliza entropía para cuantificar la capacidad de un sistema para el cambio, a saber, que el calor fluye desde una región de temperatura más alta a uno con temperatura más baja, y para determinar si se puede producir un proceso termodinámico.

La entropía se define por dos descripciones, primero como una relación entre el flujo macroscópico de calor en un sistema y el cambio de temperatura en el sistema, y la segunda, en un nivel microscópico, como el logaritmo natural del número de microestados de un sistema.

Tras el formalismo de Clausius, la primera definición se puede matemáticamente declaró que:

Cuando dS es el cambio en la entropía, dq es el calor añadido al sistema reversible, y T es la temperatura. Si se permite que la temperatura para variar, la ecuación debe ser integrado en la ruta de temperatura. Esta definición de la entropía no permite la determinación de un valor absoluto, sólo las diferencias.

La segunda definición de la entropía viene de la mecánica estadística. La entropía de un macroestado particular, se define como la constante de Boltzmann el logaritmo natural del número de microestados correspondiente a la macroestado, o matemáticamente

Donde S es la entropía, kB es la constante de Boltzmann, y O es el número de microestados.

El macroestado de un sistema es lo que sabemos sobre el sistema, por ejemplo, la temperatura, la presión y el volumen de un gas en una caja. Para cada conjunto de valores de temperatura, presión, volumen y hay muchos arreglos de moléculas que dan lugar a esos valores. El número de arreglos de moléculas que podrían dar lugar a los mismos valores para la temperatura, la presión y el volumen es el número de microestados.

El concepto de energía está relacionada con la primera ley de la termodinámica, que se ocupa de la conservación de la energía y en las que la pérdida de calor se traducirá en una disminución de la energía interna del sistema termodinámico. Entropía termodinámica proporciona una medida comparativa de la cantidad de esta disminución de la energía

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