Mensajepor ramsonian » 27 May 2005, 13:44
Vamos allá.
Como ya te comentó jomlop la primera ley de la termodinamica viene a decir que U(energia interna)=q-w (calor absorbido-trabajo producido).O sea que el incremento de la energía interna de un sistema (que se mide por su temperatura) tiene que ser igual al calor que se le aplica menos el trabajo que ejerce. De manera que si por ejemplo calientas un piston 4 calorías y produce 1 caloría de trabajo, las 3 calorías que quedan se han dedicado a incrementar la energia interna del pistón (vamos, que le sube la temperatura)
La primera ley de la termodinámica viene a ser una especie de ley de "conservación de la energía". Ahora bien, hay muchos fenómenos termodinámicos en el universo que no rompen dicha ley y que sin embargo no pasan y no pueden pasar. Y la ciencia se preguntaba por qué.
Por ejemplo tu puedes tirar una piedra desde una cierta altura, la piedra cae y se para. ¿cumple el primer principio de la termodinámica? Sí. porque q=0 (nadie proporciona calor a la piedra) con lo cual U=-w. Es decir el trabajo ejercido sobre el sistema se convierte en ener´gia interna Vamos que la energía cinética de la piedra se convierte en calor interno de la propia piedra.
Lo que se preguntaban los cientifcos es.. ¿y por qué eso no pasa nunca al reves? ¿por qué no puedo coger una piedra, calentarla y que se ponga en movimiento?
Mientras que la primera ley de la termodinamica nos dice que el calor y trabajo se miden en las mismas unidades... la segunda ley nos dice que el calor no es lo mismo que el trabajo.
De hecho todos los trabajos empezaron porque los rendimientos de trabajo conseguido con un pistón eran bajísimos. Puedes calentar un gas para mover un pistón y producir trabajo. Pero los rendimientos siempre serán muy bajos (como mucho del orden del 40%). Es decir. Si quemabas 10 calorías obtenías 4 de trabajo como mucho (y los otros 6 se quedaban o en forma de calor o de energía interna). De alguna manera el calor es bastante PEOR que el trabajo (todo el trabajo se puede pasar a calor... pero no todo el calor se puede pasar a trabajo)
Hay mcuhas formulaciones de la segunda ley de la termodinámica, pero una es parecida al ejemplo anterior. Viene a decir que "Es imposible que un sistema realice un proceso cíclico cuyos unicos efectos sean el flujo de calor de una fuente al sistema y la realización por el sistema de una cantidad de trabajo equivalente sobre el medio ambiente"
Bien, la entropía es una magnitud completamente ARTIFICIAL que sirve para explicar cómo pasa todo eso. Matematicamente viene a decir que delta-s=deltaQ/T. es decir, si aplicas a un cuerpo una cantidad muy pequeña de calor deltaQ, el incremento de entropía del sistema delta-s es ese deltaQ dividido por su temperatura (en kelvins).
La cuestión es que si desarrollamos la definición literal del segundo principio con la definición matemática de entropía (que ideó Gibbs) llegamos a la definición matemática del segundo principio
que viene a decir que el incremento de la entropía del universo en cualquier proceso es mayor o igual a cero.
Tomemos un ejemplo. Cojamos un garbanzo y echémosle a una olla de agua hirviendo.¡ Por el primer principio podría pasar que el garbanzo se enfriara!. El garbanzo podría perder una cantidad de calor q, que pasaría al agua, que se calentaria y el primer principio no se rompería....
pero qué pasa con el segundo principio?
Supongamos por ejemplo que el garbanzo pierde q= 1000 cal, que la temperatura del garbanzo = 10 K y que la del agua = 100 K (pongo estos numeros porque son redondos, es solo un ejemplo).
Si al echar el garbanzo al agua, este pierde 1000 cal entonces su entropía cambia = -1000 (es negativo porque el calor SALE) / 10 (la temperatura del garbanzo) = -100 cal/K
¿Qué le pasa al agua? El agua absorbe 1000 cal , con lo que su entropia cambia= 1000 (es positivo porque el calor ENTRA al agua)/100(temepratura del agua) = 10 cal/K
Ahora bien si sumamos los cambios de entropía veremos que -100 cal/K + 10 cal/ K es mas pequeño que cero. Por tanto el hecho de que el garbanzo se enfríe rompe el segundo principio de la termodinámica. Y por tanto debería calentarse que es lo que realmente pasa.
¿Podría haber sistemas que tengan menos entropía al final que al principio?. Sí... pero a costa de la entropía de los alrededores. Por ejemplo si ordenas la habitación le disminuyes la entropía, pero seguro que aumentas la tuya propia (de hecho lo haces, te cuesta un trabajo y sudas). Es muy complicado medir ese tipo de "entropías"... pero si se pudiera hacer, seguro que verías que la entropía del universo (la de tu habitación + la tuya propia) ha aumentado.
Las definicion clásica de que la entropía se relaciona con el desorden y la falta de información, son las consecuencias filosóficas del segundo principio. Los ingenieros, que somos unos pragmáticos de tomo y lomo definimos la entropía como la pérdida de posibilidad de conseguir un trabajo o una energía. Por ejemplo, al dejar de moverse la piedra , se ha perdido la oportunidad de que la energía cinética de la piedra moviera una turbina y produjera electricidad. (incluso al echar el garbanzo al agua se ha perdido esa posibilidad). Cuando veas un sistema en el que se produce calor de alguna manera se está perdiendo dicha posibilidad.
Vayamos ahora a la Tierra condensándose. Puesto que no hay en principio ninguna influencia externa de los alrededores (no hay agua hirviendo apreciable), el sistema final debe tener mayor entropía que el sitema inicial. Y de hecho la tiene. Habíamos dicho que cuando cae una piedra aumenta la entropía. Pues imagínate la tierra dividida en muchisimas piedras y cayendo al centro de gravedad comun. Cuando topen unas con otras habremos perdido la posibilidad de hacer mucho trabajo y se habrá generado mucha energía interna o calor.
Tradicionalmente se le ha imputado a la entropía el caracter de ser artificial y de que es una variable que se basa en la estadística molecular. Ciertamente.... no hay nada que impida que el garbanzo se enfríe, que no sea el segundo principio, pudiera pasar que ninguna molécula del agua le cediera su calor, pero eso es muy poco probable.Pero el hecho es que el segundo principio funciona. Y tampoco nadie nos garantiza que mañana la ley de la gravedad deje de funcionar.
Espero haber servido de ayuda.
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ramsonian el 27 May 2005, 19:39, editado 1 vez en total.
