Clase digital 12. Segunda ley de la termodinámica (I)

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Segunda ley de la termodinámica (I)

Introducción

¡Hola! falta muy poco para concluir tu unidad de aprendizaje de Física II, en esta treceava clase digital analizaremos la Segunda Ley de la Termodinámica, más específicamente el concepto de Entropía. 

Como se ha comentado anteriormente, la Primera Ley de la Termodinámica establece que la energía se conserva en cada proceso, pero no establece la dirección en la que el proceso se realiza. Por ejemplo, así como se puede mezclar agua fría y agua caliente para obtener como resultado agua tibia, también debería ser posible que el agua tibia se distribuya en agua caliente y agua fría, pero esto último nunca ocurre. La Primera Ley de la Termodinámica no distingue cuál de los dos eventos se puede realizar en forma espontánea importándole sólo la conservación de la energía durante el proceso y no la dirección en la que se realiza este fenómeno.

Para poder resolver este problema, los científicos idearon el principio llamado la Segunda Ley de la Termodinámica, el cual determina la dirección en la que ocurren los procesos naturales o espontáneos y su no reversibilidad. La Segunda Ley de la Termodinámica rige el orden de la secuencia de eventos que ocurren durante un proceso espontáneo.

Desarrollo del tema

Enunciados equivalentes de la Segunda Ley de la Termodinámica

  • Primer Enunciado Equivalente

El calor no fluye espontáneamente de un cuerpo frío a uno más caliente. 

  • Segundo Enunciado Equivalente

La energía calorífica no puede ser transformada completamente en trabajo mecánico o viceversa.

  • Tercer Enunciado Equivalente

Es imposible construir una máquina de operación de movimiento perpetuo.

Entropía 

La idea de que los fenómenos físicos deben ocurrir en una dirección preferida se asocia con el concepto de entropía, el cual manifiesta que un arreglo desordenado es más probable que uno ordenado, si se dejan actuar las leyes de la naturaleza sin interferencia. Es como si la naturaleza buscara alcanzar un estado máximo de equilibrio, de mayor desorden, de mayor estabilidad, de menor energía y de entropía absoluta. 

Al parecer, en la naturaleza existe una dirección preferida para que ocurran los eventos, como si el tiempo fuera una flecha que indica que los sistemas evolucionan naturalmente en una dirección, pero no en otra, por lo que se requiere de una segunda ley para explicar la dirección de la flecha del tiempo. 

El concepto de entropía nace de la necesidad de cuantificar el segundo principio y nos permite medir la irreversibilidad de los diferentes procesos termodinámicos. En un sistema aislado, el curso natural de los acontecimientos lleva al sistema a un mayor desorden (entropía más alta) de su estado. Esta situación es apreciable en la siguiente figura.

Imagen 1. El espacio entre los árboles en un bosque es al azar. Si se encuentra un bosque donde todos los árboles están igualmente espaciados, es muy probable que el bosque haya sido plantado por la mano del hombre. 

Podemos definir a la entropía (S), desde el punto de vista macroscópico, como la magnitud termodinámica que mide la parte de la energía no utilizable para realizar trabajo y que se expresa como el cociente entre el calor absorbido o liberado por el sistema (ΔQ) y su temperatura media (dada en Kelvin): 

La entropía en los procesos naturales tiende a aumentar o a quedarse igual, de aquí que es posible darnos una idea de cuán cerca o cuán lejos se encuentra un sistema de su estado de equilibrio, dependiendo de si el valor de ΔS está o no cercano a cero. Si ΔS = 0, el sistema está en equilibrio, si ΔS > 0, el sistema tiende hacia un estado de desequilibrio, es decir, hacia un estado de desorden. Esto último aclara el sentido en el que ocurren los eventos naturales o espontáneos, del orden al desorden. Visto de esta manera, la entropía de un sistema se considera entonces como la medida del desorden del sistema. 

Otra definición de entropía, completamente equivalente, se puede dar a partir de un cuidadoso análisis molecular del sistema. Si un sistema puede llegar al mismo estado (esto es, alcanzar los mismos valores de P, V, T y U) en Ω (omega) formas diferentes (por ejemplo, distintos arreglos de las moléculas), entonces la entropía de dicho estado es: 

donde kB es la constante de Boltzmann cuyo valor es 1.38 × 10-23 J/K.

Conclusión

De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica y el concepto de entropía, los estados ordenados son los menos probables; mientras que los estados desordenados son los más probables. Todos los estados físicos de la naturaleza tienden al estado más probable y ese siempre es el que tiende a aumentar el desorden. 

¡La entropía del Universo crece en todos los procesos naturales!