Segunda ley de la termodinámica: definición, ecuación y ejemplos

Un castillo de arena en la playa se desmorona lentamente a medida que avanza el día. Pero alguien que sea testigo de lo contrario (arena saltando espontáneamente a la forma de un castillo) diría que debe estar viendo una grabación, no la realidad. Del mismo modo, un vaso de té helado en el que los cubitos se derriten con el tiempo coincide con nuestras expectativas, pero no un vaso de líquido en el que se forman de forma espontánea cubitos de hielo.

La razón por la que algunos procesos naturales parecen tener sentido suceder hacia adelante en el tiempo pero no hacia atrás en el tiempo tiene que ver con la segunda ley de la termodinámica. Esta importante ley es la única descripción física del universo que depende de que el tiempo tenga una dirección particular, en la que solo podemos avanzar.

Por el contrario, las leyes de Newton o las ecuaciones cinemáticas, ambas utilizadas para describir el movimiento de los objetos, funcionan igualmente bien si un físico decide analizar el arco de una pelota de fútbol a medida que avanza o en el contrarrestar. Esta es la razón por la que la segunda ley de la termodinámica a veces también se conoce como "la flecha del tiempo".

La mecánica estadística es la rama de la física que relaciona el comportamiento a escala microscópica, como el movimiento de moléculas de aire en una habitación cerrada, a observaciones macroscópicas posteriores, como el total de la habitación temperatura. En otras palabras, conectar lo que un humano podría observar directamente con la miríada de procesos espontáneos invisibles que juntos hacen que suceda.

Un microestado es una posible disposición y distribución de energía de todas las moléculas en un sistema termodinámico cerrado. Por ejemplo, un microestado podría describir la ubicación y la energía cinética de cada molécula de azúcar y agua dentro de un termo de chocolate caliente.

Un macroestado, por otro lado, es el conjunto de todos los microestados posibles de un sistema: todas las formas posibles en que se podrían organizar las moléculas de azúcar y agua dentro del termo. La forma en que un físico describe un macroestado es mediante el uso de variables como temperatura, presión y volumen.

Esto es necesario porque el número de posibles microestados en un macroestado dado es demasiado grande para tratarlo. Una habitación a 30 grados Celsius es una medida útil, aunque saber que está a 30 grados no revela las propiedades específicas de cada molécula de aire en la habitación.

Aunque los macroestados se utilizan generalmente cuando se habla de termodinámica, la comprensión de los microestados es relevante ya que describen los mecanismos físicos subyacentes que conducen a esos mediciones.

La entropía se describe a menudo con palabras como una medida de la cantidad de desorden en un sistema. Esta definición fue propuesta por primera vez por Ludwig Boltzmann en 1877.

En términos de termodinámica, se puede definir más específicamente como la cantidad de energía térmica en un sistema cerrado que no está disponible para realizar un trabajo útil.

La transformación de energía útil en energía térmica es un proceso irreversible. Debido a esto, se deduce que la cantidad total de entropía en un sistema cerrado, incluido el universo en su conjunto, solo puedeincrementar​.

Este concepto explica cómo la entropía se relaciona con la dirección en la que fluye el tiempo. Si los físicos pudieran tomar varias instantáneas de un sistema cerrado con los datos sobre cuánta entropía era en cada uno, podrían ponerlos en orden de tiempo siguiendo "la flecha del tiempo" - yendo de menos a más entropía.

Para ser mucho más técnico, matemáticamente, la entropía de un sistema se define mediante la siguiente fórmula, que también se le ocurrió a Boltzmann:

dóndeYes el número de microestados en el sistema (el número de formas en que se puede ordenar el sistema),kes la constante de Boltzmann (que se obtiene dividiendo la constante del gas ideal por la constante de Avogadro: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) yenes el logaritmo natural (un logaritmo de la basemi​).

La principal conclusión de esta fórmula es mostrar que, a medida que aumenta el número de microestados o formas de ordenar un sistema, también aumenta su entropía.

El cambio en la entropía de un sistema a medida que se mueve de un macroestado a otro se puede describir en términos de las variables de macroestado calor y tiempo:

dóndeTes la temperatura yQes la transferencia de calor en un proceso reversible cuando el sistema se mueve entre dos estados.

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía total del universo o de un sistema aislado nunca disminuye. En termodinámica, un sistema aislado es aquel en el que ni el calor ni la materia pueden entrar o salir de los límites del sistema.

En otras palabras, en cualquier sistema aislado (incluido el universo), el cambio de entropía es siempre cero o positivo. Lo que esto significa esencialmente es que los procesos termodinámicos aleatorios tienden a generar más desorden que orden.

Un énfasis importante recae en latiende aparte de esa descripción. Procesos aleatoriospodríaconducir a más orden que desorden sin violar las leyes naturales; es mucho menos probable que suceda.

Por ejemplo, de todos los microestados en los que podría terminar una baraja de cartas barajada aleatoriamente - 8.066 × 10⁶⁷ - solo una de esas opciones es igual al orden que tenían en el paquete original. Esopodríasuceden, pero las probabilidades son muy, muy pequeñas. En general, todo tiende naturalmente al desorden.

La entropía se puede considerar como una medida del desorden o la aleatoriedad de un sistema. La segunda ley de la termodinámica establece que siempre permanece igual o aumenta, pero nunca disminuye. Este es un resultado directo de la mecánica estadística, ya que la descripción no depende de la instancia extremadamente rara donde una baraja de cartas se baraja en perfecto orden, pero en la tendencia general de un sistema a aumentar en desorden.

Una forma simplificada de pensar sobre este concepto es considerar que deshacer la mezcla de dos conjuntos de objetos requiere más tiempo y esfuerzo que mezclarlos en primer lugar. Pídale a cualquier padre de un niño pequeño que lo verifique; ¡Es más fácil hacer un gran lío que limpiarlo!

Muchas otras observaciones en el mundo real "tienen sentido" para nosotros que ocurren de una manera pero no de otra porque siguen la segunda ley de la termodinámica:

• El calor fluye de los objetos a una temperatura más alta a los objetos a una temperatura más baja y no al revés alrededor (los cubitos de hielo se derriten y el café caliente que se deja sobre la mesa se enfría gradualmente hasta temperatura).
• Los edificios abandonados se desmoronan lentamente y no se reconstruyen.
• Una pelota que rueda por el patio de recreo se ralentiza y finalmente se detiene, ya que la fricción transforma su energía cinética en energía térmica inutilizable.
  

La segunda ley de la termodinámica es solo otra forma de describir formalmente el concepto de la flecha del tiempo: avanzando en el tiempo, el cambio de entropía del universo no puede ser negativo.

Si el orden es cada vez mayor, ¿por qué mirar alrededor del mundo parece revelar muchos ejemplos de situaciones ordenadas?

Mientras que la entropíaen conjuntosiempre está aumentando, localdisminuyeen entropía son posibles dentro de los bolsillos de sistemas más grandes. Por ejemplo, el cuerpo humano es un sistema muy organizado y ordenado; incluso convierte una sopa desordenada en huesos exquisitos y otras estructuras complejas. Sin embargo, para hacer eso, el cuerpo absorbe energía y crea desechos a medida que interactúa con su entorno. Entonces, aunque la persona que hace todo esto puede experimentar menos entropía dentro de su cuerpo al final de un ciclo de comer / construir partes del cuerpo / excretar desechos, elentropía total del sistema- el cuerpo más todo lo que lo rodea - todavíaaumenta​.

De manera similar, un niño motivado podría limpiar su habitación, pero convierte la energía en calor durante el proceso (piense en su propio sudor y el calor generado por la fricción entre los objetos que se mueven alrededor). Probablemente también tiraron mucha basura caótica, posiblemente rompiendo pedazos en el proceso. Nuevamente, la entropía aumenta en general en el código postal, incluso si esa habitación termina impecable.

A gran escala, la segunda ley de la termodinámica predice la eventualmuerte por calordel universo. No debe confundirse con un universo que muere en ardiente agonía, la frase se refiere más precisamente a la idea de que eventualmente todos los útiles la energía se convertirá en energía térmica, o calor, ya que el proceso irreversible ocurre casi en todas partes todo el tiempo. Además, todo este calor eventualmente alcanzará una temperatura estable, o equilibrio térmico, ya que no le sucederá nada más.

Un error común sobre la muerte térmica del universo es que representa un momento en el que no queda energía en el universo. ¡Este no es el caso! Más bien, describe un momento en el que toda la energía útil se ha transformado en energía térmica que ha alcanzado la misma temperatura, como una piscina llena de agua mitad caliente y mitad fría, luego se deja afuera todo tarde.

La segunda ley puede ser la más candente (o al menos la más enfatizada) en la introducción a la termodinámica, pero como su nombre lo indica, no es la única. Los demás se analizan con más detalle en otros artículos del sitio, pero aquí hay un breve resumen de ellos:

​La ley cero de la termodinámica.Llamada así porque subyace a las otras leyes de la termodinámica, la ley cero describe esencialmente qué es la temperatura. Establece que cuando dos sistemas están cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema, necesariamente también deben estar en equilibrio térmico entre sí. En otras palabras, los tres sistemas deben tener la misma temperatura. James Clerk Maxwell describió un resultado principal de esta ley como "Todo el calor es del mismo tipo".

​La primera ley de la termodinámica.Esta ley aplica la conservación de energía a la termodinámica. Establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la diferencia entre el calor agregado al sistema y el trabajo realizado por el sistema:

DóndeUes energía,Qes calor yWes trabajo, todo típicamente medido en julios (aunque a veces en Btus o calorías).

​La tercera ley de la termodinámica.Esta ley definecero absolutoen términos de entropía. Afirma que un cristal perfecto tiene entropía cero cuando su temperatura es cero absoluto, o 0 Kelvins. El cristal debe estar perfectamente dispuesto o de lo contrario tendría algún desorden inherente (entropía) en su estructura. A esta temperatura, las moléculas del cristal no tienen movimiento (lo que también se consideraría energía térmica o entropía).

Tenga en cuenta que cuando el universo alcance su estado final de equilibrio térmico, su muerte térmica, habrá alcanzado una temperaturamás altoque el cero absoluto.