Segundo principio de la termodinámica

Segundo principio de la termodinámica

Este principio implica que los procesos en los que interviene el calor suceden sólo en una dirección: LA ENTROPÍA AUMENTA; el calor fluye de objetos calientes a los fríos. Por lo tanto, la segunda ley enlaza con la idea de que el tiempo transcurre en una sola dirección.

Máquinas térmicas

Las máquinas térmicas son sistemas que transforman calor en trabajo. Una máquina térmica transforma energía térmica en trabajo realizando un ciclo de manera continuada. En ellas no hay variación de energía interna, ΔU=0 .

Verbi gratia: la máquina de vapor, el motor de un coche, el refrigerador(máquina térmica inversa).

Si T₁ > T₂ , el calor fluye de manera espontánea desde la fuente al sumidero. 

La máquina transforma parte de este calor en trabajo, y el resto fluye al sumidero. 

No existe variación en la energía interna de la máquina: 

ΔU=0⇒|Q1|=|W|+|Q2|

Observa que, en condiciones óptimas:

|W|=|Q1|−|Q2|⇒|W|<|Q1|

NO TODO EL CALOR QUE ABSORBE LA MÁQUINA SE TRANSFORMA EN TRABAJO.

El enunciado de Kelvin-Planck del segundo principio de la termodinámica es el siguiente: "es imposible construir una máquina que, operando ciclicamente, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización de una cantidad equivalente de trabajo"

Este enunciado afirma la imposibilidad de construir una máquina que convierta todo el calor en trabajo. Siempre es necesario intercambiar calor con un segundo foco (el foco frío), de forma que parte del calor absorbido se expulsa como calor de desecho al ambiente.

• ¿Es posible una máquina térmica que no genere calor de desecho, sino que todo el calor absorbido se transforme en trabajo neto?

• ¿Es posible una reutilización del calor de desecho(sin sumidero de calor), de forma que se haga recircular y se incluya en el calor absorbido?

La respuesta a ambas preguntas es negativa  porque se necesita de una diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el sumidero para que este fluya a través de la máquina

Entropía

La entropía  (S), es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se da de forma natural que suceden de manera espontánea.  La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. La palabra entropía procede del griego (ἐντροπία) y significa evolución o transformación. Podemos decir que se ocupa de la evolución natural de los sistemas termodinámicos, es decir, de la dirección en que avanzan.

La entropía  es una variable de estado. Está asociada a la probabilidad de que un determinado estado ocurra en un sistema. Aquellos más probables tienen una mayor entropía y en cualquier proceso natural espontáneo evoluciona hacia un aumento de la entropía.

Entonces se entiende por entropía a un tipo de magnitud física que calcula aquella energía que existe en un determinado objeto o elemento pero que no es útil para realizar un trabajo o esfuerzo. La entropía es aquella energía que no es utilizable ante el advenimiento de un proceso termodinámico.

Verbi gratia:    Si tienes una cantidad de lápices ordenado y los lanzas es muy probable que caigan en completo desorden. Vemos pues, que aumento del desorden es la dirección natural en que evolucionan los procesos naturales.

Degradación energética

El principio de la termodinámica sentencia que la energía del universo se conserva y  el segundo principio de la termodinámica su entropía aumenta. Este aumento de entropía se asocia a un aumento de la energía térmica de los sistemas, entonces la energía térmica(no se puede aprovechar íntegramente en producir trabajo), es la forma más degradada de energía.

Uno de los posibles finales del universo

La muerte térmica o muerte entrópica, es uno de los posibles estados finales del universo, a este fenómeno se le  denomina crisis entrópica ya que con el paso de millones de años todas las formas de energía del universo se acabarán convirtiéndose en calor. En términos físicos, el universo habrá alcanzado la máxima entropía.

On the Age of the Sun’s Heat by Sir William Thomson (Lord Kelvin)

Macmillan's Magazine, vol. 5 (March 5, 1862), pp. 388-393. From reprint in Popular Lectures and Addresses, vol. 1, 2nd edition, pp. 356-375:

The second great law of thermodynamics involves a certain principle of irreversible action in Nature. It is thus shown that, although mechanical energy is indestructible,there is a universal tendency to its dissipation, which produces gradual augmentation and diffusion of heat, cessation of motion, and exhaustion of potential energy through the material universe.

The result would inevitably be a state of universal rest and death, if the universe were finite and left to obey existing laws. But it is impossible to conceive a limit to the extent of matter in the universe; and therefore science points rather to an endless progress, through an endless space, of action involving the transformation of potential energy into palpable motion and thence into heat, than to a single finite mechanism, running down like a clock, and stopping for ever*.

It is also impossible to conceive either the beginning or the continuance of life, without an overruling creative power; and, therefore, no conclusions of dynamical science regarding the future condition of the earth can be held to give dispiriting views as to the destiny of the race of intelligent beings by which it is at present inhabited.

*El resultado sería inevitablemente un estado de descanso y muerte universal, si el universo es finito y está obligado a obedecer las leyes existentes. Pero es imposible concebir un límite a la extensión de la materia en el universo; y así la ciencia volvió más bien hacia una progresión sin fin, en un espacio sin fin, aquellas actuaciones que resulten de la transformación de la energía potencial en movimiento palpable y por lo tanto en calor, en lugar de un único mecanismo finito, funcionaría como un reloj que parara por siempre.(Thomson, 1862)

La entropía del universo aumentará mientras la máquina no ideal (REAL) esté funcionando.

ΔSuniverso = 0, si la máquina es ideal

ΔSuniverso > 0, si la máquina es real.

“LA ENERGÍA DEL UNIVERSO PERMANECE CONSTANTE, PERO SU ENTROPÍA AUMENTA.”

Es imposible hacer que la entropía de un sistema aislado(verbi gratia: el universo) disminuya porque tiende a un máximo.

OJO: En un proceso natural es imposible hacer que el flujo de calor vaya de un cuerpo frío a uno caliente a no ser que se efectúe trabajo sobre algo, como ocurre en una máquina frigorífica.