Entropía y el segundo principio de la termodinámica en física

Contenido

1. INTRODUCCIÓN
2. DIRECCIÓN DE LOS PROCESOS TERMODINÁMICOS.
3. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
1. ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK
2. ENUNCIADO DE CLAUSIUS
3. EL CICLO DE CARNOT Y LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
4. ENTROPÍA
1. ENTROPÍA Y DESORDEN
2. ENTROPÍA EN LOS PROCESOS REVERSIBLES
1. CAMBIO DE ENTROPÍA EN UNA EXPANSIÓN LIBRE
2. CAMBIO DE ENTROPIA EN UN PROCESO ADIABÁTICO REVERSIBLE
3. CAMBIO DE ENTROPIA EN UN CAMBIO DE TEMPERATURA
4. CAMBIO DE ENTROPÍA EN UN CAMBIO DE FASE
3. ENTROPÍA EN PROCESOS CÍCLICOS
4. ENTROPÍA EN PROCESOS IRREVERSIBLES
5. ENTROPÍA Y LA SEGUNDA LEY
5. INTERPRETACIÓN MICROSCÓPICA DE LA ENTROPÍA
1. CÁLCULO DE LA ENTROPÍA: ESTADOS MICROSCÓPICOS
2. ESTADOS MICROSCÓPICOS Y LA SEGUNDA LEY
3. TERCERA LEY DE LA TERMODINAMICA
6. ESPONTANEIDAD DE LAS REACCIONES QUIMICAS.
1. MOVIMIENTOS MOLECULARES Y ENERGÍA
2. CAMBIOS DE ENTROPÍA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS
3. CAMBIOS DE ENTROPÍA EN EL ENTORNO
4. ENERGÍA DE GIBBS
5. ENERGÍA DE GIBBS Y TEMPERATURA
7. INNOVACIÓN.
8. RELACIÓN CURRICULAR
9. CONCLUSIÓN

INTRODUCCIÓN

¿Alguna vez te has preguntado por qué no puedes deshacer el derrame de tu bebida favorita una vez que ya ha sucedido? O, ¿por qué no podemos simplemente recoger el calor de un objeto caliente y usarlo para mover cosas, como un auto? Estas preguntas nos llevan al misterioso y fascinante mundo de la entropía en la termodinámica. La entropía es una medida del desorden en un sistema y juega un papel crucial para entender por qué ciertas cosas en nuestro universo ocurren de una manera y no de otra.

DIRECCIÓN DE LOS PROCESOS TERMODINÁMICOS.

Esquema Fundamental de Termodinámica

Conceptos Básicos

• Sistema Termodinámico: Una región del universo que estamos estudiando, delimitada por fronteras físicas o imaginarias. Puede intercambiar energía (como calor o trabajo) y materia con sus alrededores, dependiendo de si es abierto, cerrado o aislado.
• Entorno: Todo lo que está fuera del sistema y que puede interactuar con él.
• Universo Termodinámico: La combinación del sistema y su entorno.

Tipos de Sistemas

• Sistema Abierto: Puede intercambiar tanto energía como materia con el entorno.
• Sistema Cerrado: Solo intercambia energía con el entorno.
• Sistema Aislado: No intercambia ni energía ni materia con el entorno.

Entropía (S)

• Definición: Una medida de desorden o aleatoriedad en un sistema. También se interpreta como la cantidad de energía en un sistema que no está disponible para realizar trabajo.
• Fórmula Básica: Para un proceso reversible e isotérmico, el cambio de entropía se calcula como 4S == , donde Q es el calor transferido y T es la temperatura absoluta en kelvin.
• Para un proceso reversible: ds=de T .
• Principio: En un sistema aislado o en el universo termodinámico, la entropía tiende a aumentar, lo que refleja la segunda ley de la termodinámica.

Importancia de la Entropía

• Indica la dirección de procesos naturales y espontáneos.
• Ayuda a determinar la eficiencia de las máquinas térmicas y los refrigeradores.

Conceptos Fundamentales de la dirección de los procesos termadinámicos:

• Procesos Irreversibles: Ocurren espontáneamente en una dirección sin regresar a su estado original sin cambios en el entorno.
• Ejemplos: Flujo de calor de un cuerpo caliente a uno frío, expansión libre de un gas, conversión de energía mecánica en calor por fricción.
• Procesos Reversibles: Idealizados, donde el sistema está siempre en equilibrio termodinámico. Pequeños cambios pueden revertir el proceso.

Principios Termodinámicos:

• La segunda ley de la termodinámica juega un rol crucial, determinando la dirección preferente de los procesos termodinámicos hacia un aumento del desorden o entropía.
• Relación entre el desorden y la dirección de los procesos: procesos naturales aumentan la aleatoriedad.

Ejemplos Ilustrativos:

• Mezcla de tarjetas ordenadas que se lanzan al aire, mostrando un aumento de desorden.
• Conversión de energía cinética macroscópica (organizada) en calor (movimiento molecular desordenado).

Implicaciones de la Segunda Ley:

• Limita la transformación de calor en trabajo y la transferencia de calor contra un gradiente térmico sin trabajo adicional.
• Subraya el carácter irreversible de la mayoría de los procesos naturales y la tendencia hacia un aumento en la entropía.

Relevancia en Dispositivos Térmicos:

• Máquinas térmicas y refrigeradores como ejemplos de sistemas que operan bajo las restricciones de la segunda ley.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK

• Definición: Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, convierta todo el calor absorbido de una fuente a trabajo sin dejar cambios en el universo termodinámico. Esto implica que ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica del 100%.
• Implicaciones:
• La eficiencia de todas las máquinas térmicas es siempre menor que 1 (100%).
• Este enunciado establece una limitación fundamental sobre la conversión de calor en trabajo, subrayando la importancia de la irreversibilidad y la generación de entropía en los procesos naturales.
• Relación con la Entropía:
• Aunque el enunciado de Kelvin-Planck no menciona directamente la entropía, subyace en el principio de que los procesos naturales tienden a aumentar la entropía total del universo.
• La entropía ayuda a explicar fenómenos como por qué la tinta mezclada con agua nunca se separa espontáneamente, o por qué ciertos procesos, aunque posibles, nunca se observan en la naturaleza.
• Fórmulas:
• Eficiencia de una Máquina Térmica: n=QHW donde n es la eficiencia de la máquina térmica (sin unidades, ya que es una relación), W es el trabajo realizado por la máquina (Joules, J) y QH es el calor absorbido de la fuente caliente (Joules, J).
• Segunda Ley en términos de Entropía: ASuniverso>0 para procesos irreversibles, donde ASuniverso es el cambio en la entropía del universo (Joules por Kelvin, J/K).

ENUNCIADO DE CLAUSIUS

• Definición: El enunciado de Clausius establece que es imposible realizar un proceso cuyo único resultado sea el traspaso de calor de un cuerpo de menor temperatura a uno de mayor temperatura sin aportaciones externas de trabajo.
• Implicaciones:
• Establece una dirección preferencial para el flujo de calor, de cuerpos más calientes a más fríos, a menos que se realice trabajo.
• Subraya la imposibilidad de una refrigeración o transferencia de calor espontánea de frío a caliente, reforzando la noción de irreversibilidad en procesos naturales.
• Relación con la Entropía:
• Apoya el principio de que la entropía del universo aumenta en procesos naturales; la transferencia de calor de un cuerpo frío a uno caliente, sin trabajo, disminuiría la entropía del universo, lo cual viola la segunda ley de la termodinámica.
• Fórmulas:
• Aunque el enunciado de Clausius no se asocia directamente con una fórmula específica como el de Kelvin-Planck, su comprensión y aplicación se fundamentan en el cambio de entropía (AS) y la eficiencia (n) o coeficiente de rendimiento (COP) de los refrigeradores y bombas de calor.
• Cambio de Entropía para un proceso reversible (en un sistema cerrado donde solo se transfiere calor): AS -- donde Q es el calor intercambiado (Joules, J) y T es la temperatura absoluta en la que ocurre el intercambio (Kelvin, K).
• Ejemplos Cotidianos de Irreversibilidad:
• Al deslizar un libro sobre una mesa, se convierte la energía mecánica en calor por fricción, un proceso irreversible. No se observa el proceso inverso, como un libro moviéndose espontáneamente y enfriando la mesa y a sí mismo.
• Segunda Ley de la Termodinámica:
• El Enunciado de Clausius es fundamental para la segunda ley de la termodinámica, que determina la dirección preferente de estos procesos.
• Relación con las máquinas térmicas: Se sugiere revisar el tema 16 para una comprensión más profunda de las máquinas térmicas en relación con la segunda ley.

a) Enunciado de la segunda ley de la termodinámica de la "máquina" TH TH 20H - 10c> Zecl QH Imposible W es equivalente a Imposible W Refrigerador que funciona sin suministro de trabajo Máquina Máquina 100% eficiente Qc S Tc Tc b) Enunciado de la segunda ley de la termodinámica del "'refrigerador" TH TH Imposible W es equivalente a Imposible Refrigerador Máquina 100% eficiente Refrigerador que funciona sin suministro de trabajo Yes Tc Tc El dibujo ilustra la equivalencia entre los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius, mostrando cómo un refrigerador que opera sin un suministro de trabajo (violando el enunciado de Clausius) podría, en teoría, usarse junto con una máquina térmica para convertir completamente el calor en trabajo mecánico, lo que violaría el enunciado de Kelvin-Planck. La idea central es que si se pudiera transferir calor de un cuerpo frío a un cuerpo caliente sin realizar trabajo (refrigerador perfecto) y luego usar ese calor para operar una máquina térmica (convirtiendo todo el calor en trabajo), se crearía una máquina con una eficiencia del 100%, lo cual contradice los principios fundamentales de la termodinámica. Estas ilustraciones sirven para reforzar la comprensión de que tales dispositivos son imposibles en la realidad debido a la segunda ley de la termodinámica. Estos principios subrayan la irreversibilidad de los procesos naturales y la tendencia hacia el aumento de la entropía en el universo.

EL CICLO DE CARNOT Y LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

• Concepto de Reversibilidad y Ciclo de Carnot:
• Los procesos reversibles son aquellos que pueden revertirse sin dejar cambios en el universo termodinámico, siempre en equilibrio termodinámico.
• El Ciclo de Carnot es un ciclo reversible idealizado que representa el límite máximo de eficiencia para una máquina térmica.
• Pasos del Ciclo de Carnot:
1. Expansión Isotérmica a temperatura TH:
• El gas absorbe calor QH de una fuente de calor a alta temperatura, expandiéndose isotérmicamente.

. QH NRTHING V

1. Expansión Adiabática:
• El gas se expande sin intercambio de calor, su temperatura disminuye a Tc.
2. Compresión Isotérmica a temperatura Tc:
• El gas libera calor Qc a un sumidero de calor a baja temperatura, comprimiéndose isotérmicamente.

· Qc=nRTcln(

1. Compresión Adiabática:
• El gas se comprime sin intercambio de calor, regresando a su estado inicial.