SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley.
Siempre se ha tratado de mejorar el rendimiento de las máquinas y de idear máquinas que tengan un rendimiento de \(1\), haciendo de \(1\), haciendo que el calor \(Q_f\) del foco frío sea \(0\), es decir que la máquina tomaría calor de un foco (podría ser el ambiente) y lo transformaría integralmente en trabajo.
También se podría inventar un refrigerador que transportaría calor de un foco frío a un foco caliente sin necesidad de trabajo. Ninguno de estos progresos viola la primera ley; sin embargo, nunca se han podido realizar.
La segunda ley de la termodinámica es una generalización de la experiencia y una afirmación de lo anterior. En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinámica, que tiene dos enunciados equivalentes:
Primer enunciado (Clausius):
El calor fluye espontáneamente de un foco más caliente a un foco más frío y no viceversa, es decir que no es posible ningún proceso cíclico cuyo único resultado sea la transferencia de calor de un foco frío a un foco caliente.
Segundo enunciado (Kelvin - Planck): No es posible ningún proceso cíclico cuyo único resultado sea la absorción de calor de un foco y su transformación completa en trabajo.
Para demostrar que los dos enunciados son equivalentes:
1 Sea una máquina \(\large K\) que contradice el enunciado de Kelvin y acoplémosla a un refrigerador \(\large R\) como se ve en la figura:
El resultado final del conjunto es la transformación de la cantidad de calor \(Q_f\) del foco frío al foco caliente, por tanto esta máquina contradice también el primer enunciado.
2 Sea una máquina \(C\) que contradice el enunciado de Clausius y acoplémosla a un motor \(M\) como se ve en la figura:
El resultado del conjunto es la absorción de calor de un solo foco y su conservación en trabajo, lo que contradice el enunciado de Kelvin.
La segunda ley de la termodinámica indica la dirección en que se llevan a cabo las transformaciones energéticas. El flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja. En esta ley aparece el concepto de entropía, la cual se define como la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo. Esto es más fácil de entender con el ejemplo de una máquina térmica:
Una fuente de calor es usada para calentar una sustancia de trabajo (vapor de agua), provocando la expansión de la misma colocada dentro de un pistón a través de una válvula. La expansión mueve el pistón, y por un mecanismo de acoplamiento adecuado, se obtiene trabajo mecánico. El trabajo se da por la diferencia entre el calor final y el inicial. Es imposible la existencia de una máquina térmica que extraiga calor de una fuente y lo convierta totalmente en trabajo, sin enviar nada a la fuente fría. La entropía de un sistema es también un grado de desorden del mismo. La segunda ley establece que en los procesos espontáneos la entropía, a la larga, tiende a aumentar. Los sistemas ordenados se desordenan espontáneamente. Si se quiere restituir el orden original, hay que realizar un trabajo sobre el sistema.
Máquina de Carnot
La segunda ley indica que ninguna máquina puede tener un rendimiento igual a \(1\). Pero, ¿cuál será el rendimiento máximo que se podría obtener de una máquina que operaría entre dos focos a temperaturas dadas?
El francés Carnot, en \(1\ 824\), estudió todas las máquinas que podían trabajar entre dos temperaturas absolutas \(T_c\) y \(T_f\) y demostró lo que se llama ahora el "teorema de Carnot":
(a) Que todas las máquinas reversibles tienen el mismo rendimiento. (Una máquina reversible, con ligeros cambios en las condiciones exteriores, puede ser motor o refrigerador y no tiene rozamiento).
(b) Que este rendimiento es máximo.
(c) Que la razón de los calores cedidos y absorbidos es igual a la razón de las temperaturas de los focos o sea:
\(\fra{Q_f}{Q_c}\ =\ \frac{T_f}{T_c}\)
Ahora se puede escribir el rendimiento de una máquina de Carnot como:
\(R_c\ =\ 1\ -\ \frac{Q_f}{Q_c}\ =\ 1\ -\ \fra{T_f}{T_c}\)
\(R_c\ =\ \frac{T_c\ -\ T_f}{T_c}\)
Se nota que el rendimiento es siempre inferior a \(1\), a menos que la temperatura del foco frío sea cero absoluto. Esta ecuación es fundamental para la fabricación de cualquier máquina térmica. El rendimiento máximo de una máquina será del \(100\ %\) y la temperatura se expresa en GRADOS KELVIN.
Ejemplo 1: En una máquina de vapor, la temperatura llega a la máquina a \(100^{\circ}C\) y se devuelve al ambiente a \(27^{\circ}C\)
Convertir grado centígrados en grado kelvin para reemplazar los datos en la ecuación de carnot:
\(K\ =\ ^{\circ}C\ +\ 273\)
El máximo rendimiento de esta máquina será:
\(R_c\ =\ \frac{373\ -\ 300}{373}\ =\ 0,2\)
Como el rendimiento es un porcentaje toca multiplicar el resultado por \(100\ %\)
\(R_c\ =\ 20\ %\)
Nunca se podrá superar este rendimiento con las mismas temperaturas por ningún diseño o construcción.
La segunda ley y la teoría cinética:
Investiguemos ahora qué puede haber entre la teoría de la materia y la segunda ley de la termodinámica.
En un cuerpo en movimiento, todas las moléculas están en la misma dirección: diremos que el cuerpo tiene ENERGÍA CINÉTICA ORDENADA. Si el cuerpo choca inelásticamente contra una pared y se queda en reposo, toda esa energía cinética se convierte en calor o sea en ENERGÍA CINÉTICA DESORDENADA de sus moléculas.
Ahora, la experiencia muestra que solamente una parte del movimiento desordenado se puede convertir en movimiento ordenado gracias a las máquinas térmicas. Esta incapacidad de transformar completamente el desorden en orden es la esencia de la segunda ley.
Al fenómeno de transformar energía ordena en energía desordenada se le da el nombre de degradación de la energía.
El calor es por tanto una energía de "calidad inferior".
TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La tercera ley tiene varios enunciados equivalentes:
"No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos"
Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de \(-273,16^{\circ}C\). Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable.
"La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero".
"La primera y la segunda ley de la termodinámica se pueden aplicar hasta el límite del cero absoluto, siempre y cuando en este límite las variaciones de entropía sean nulas para todo proceso reversible".
La tercera de las leyes de la termodinámica afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos, ya que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. A medida que el sistema se acerca al cero absoluto, el intercambio calórico es cada vez menor hasta llegar a ser casi nulo. Ya que el flujo espontáneo de calor es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a los de temperatura más baja (Segunda ley), sería necesario un cuerpo con menor temperatura que el cero absoluto; y esto es imposible.
PREGUNTA: La Entropía representa: