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Segundo principio de la termodinámica

2009-10-29

En SGCG respetamos las leyes de la termodinámica. Hace unos días tratamos el principio cero de la termodinámica (que define la temperatura) y ayer tratamos el primer principio de la termodinámica (que establece la conservación de la energía). Nuestra serie sobre termodinámica sigue con el segundo principio: el principio de crecimiento de la entropía.

Trabalenguas técnico

La entropía es una medida del grado de desorden de un sistema; mide lo dispersa y degradada que está la energía. La energía se conserva, pero puede degradarse hasta el punto de no ser aprovechable: para hacer un trabajo hacen falta la energía y la capacidad de usarla. De forma simplificada, podemos decir que los sistemas se mantienen activos cuando sus constituyentes cambian de estado; cuando la entropía es máxima, el sistema es tan uniforme que sus constituyentes ya no pueden cambiar de estado para mantener la actividad.

La entropía es mínima en los sistemas ordenados, con estructura bien organizada y energía concentrada en posiciones ordenadas (por ejemplo, un sólido cristalino) y es máxima en los sistemas desordenados y sin estructura con la energía completamente dispersa (por ejemplo, un líquido). La energía dispersa y degradada no está disponible para realizar trabajo.

La entropía de un sistema aislado no disminuye, pero sí puede aumentar. La entropía del sistema crece cuando el sistema está activo hasta alcanzar el máximo posible, la dispersión y degradación completa de la energía, el estado conocido como muerte térmica en el que ya no es posible realizar trabajo. El Universo abarca todos los sistemas y está aislado, así que la entropía del Universo permanece constante o crece. Cuando un sistema interactúa con otros, es posible reducir su entropía si se hace aumentar la entropía de los demás sistemas en igual o mayor cuantía. El segundo principio de la termodinámica establece que la entropía permanece constante o crece, que la energía se dispersa globalmente.

Explicación de andar por casa

Digamos que tengo una motocicleta. Para que ande, mi moto ha de quemar combustible. Al quemar combustible, la entropía aumenta. Por mucho que empuje mi moto hacia atrás, no lograré que el depósito de combustible se llene.

Si se me enfría la comida, paso de una situación con energía térmica concentrada a una situación en la que la energía se ha dispersado por toda la habitación. El segundo principio indica que simplemente cruzando los brazos no puedo volver de forma espontánea al estado anterior con apetitosa comida calentita.

¿Para qué sirve todo esto?

El segundo principio sirve para hacer toda clase de predicciones cuando se combina con otros principios y leyes de comportamiento. El segundo principio marca la orientación de la flecha del tiempo: los procesos suceden en el sentido que hace que la entropía no disminuya.

El segundo principio puede servir muchas veces para pillar a charlatanes vendedores de aceite de serpiente y máquinas milagrosas. Hay límites al rendimiento que puede tener una máquina (el trabajo útil dividido entre la energía aportada para hacer funcionar la máquina) que se derivan del segundo principio de la termodinámica.

El segundo principio establece que no es posible extraer calor de una fuente térmica caliente y convertirlo por completo en trabajo útil. En efecto, si esto fuera así, entonces podríamos congelar la fuente caliente reduciendo su entropía sin aumentar la entropía del entorno, lo que produciría una reducción de la entropía total del Universo. Las máquinas de movimiento perpetuo de segunda especie convierten energía térmica en trabajo directamente y sin pérdidas, así que violan el segundo principio. Hasta ahora, nadie ha conseguido fabricar un móvil perpetuo de segunda especie y el segundo principio permanece en su sitio.

Categorías: Física

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