Entropía
Recordemos que, en la introducción del capítulo, ni siquiera es posible, en teoría, que los motores sean 100% eficientes. Este fenómeno se explica por la segunda ley de la termodinámica, que se basa en un concepto conocido como entropía. La entropía es una medida del desorden de un sistema. La entropía también describe la cantidad de energía que no está disponible para realizar un trabajo. Cuanto más desordenado esté un sistema y mayor sea la entropía, menos energía estará disponible para realizar un trabajo.
El significado de la entropía es difícil de entender, ya que puede parecer un concepto abstracto. Sin embargo, vemos ejemplos de entropía en nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, si se pincha un neumático de coche, el aire se dispersa en todas las direcciones. Cuando se pone agua en un plato en la encimera, acaba por evaporarse, y las moléculas individuales se dispersan en el aire circundante. Cuando se coloca un objeto caliente en la habitación, éste esparce rápidamente la energía calorífica en todas las direcciones. La entropía puede considerarse una medida de la dispersión de la energía. Mide cuánta energía se ha dispersado en un proceso. El flujo de cualquier energía siempre va de lo alto a lo bajo. Por lo tanto, la entropía siempre tiende a aumentar.
Ley de la entropía
La Segunda Ley de la Termodinámica establece que el estado de entropía de todo el universo, como sistema aislado, siempre aumentará con el tiempo. La segunda ley también establece que los cambios en la entropía del universo nunca pueden ser negativos.
¿Por qué cuando se deja un cubito de hielo a temperatura ambiente, empieza a derretirse? ¿Por qué envejecemos y nunca rejuvenecemos? Y, ¿por qué cuando se limpian las habitaciones, vuelven a estar desordenadas en el futuro? Ciertas cosas suceden en una dirección y no en otra, esto se llama la “flecha del tiempo” y abarca todas las áreas de la ciencia. La flecha del tiempo termodinámica (entropía) es la medida del desorden en un sistema. Denotado como \ (\Delta S\), el cambio de entropía sugiere que el tiempo mismo es asimétrico con respecto al orden de un sistema aislado, lo que significa: un sistema se volverá más desordenado, a medida que el tiempo aumenta.
Supongamos que una caja llena de piezas de rompecabezas estuviera desordenada en su caja, la probabilidad de que una pieza de rompecabezas caiga al azar, lejos de donde encaja perfectamente, es muy alta. Casi todas las piezas del rompecabezas caerán en algún lugar lejos de su posición ideal. La probabilidad de que una pieza de puzzle caiga correctamente en su posición, es muy baja, ya que sólo puede ocurrir en un sentido. Por lo tanto, las piezas del rompecabezas mal colocadas tienen una multiplicidad mucho mayor que la pieza del rompecabezas correctamente colocada, y podemos asumir correctamente que las piezas del rompecabezas mal colocadas representan una entropía mayor.
Ley Z de la termodinámica
La Segunda Ley de la Termodinámica dice que no se puede llegar al punto de equilibrio. La Primera Ley es esencialmente una declaración de conservación de la energía y afirma que no se puede obtener más energía de un motor térmico de la que se introduce. Pero la Segunda Ley dice que ningún motor térmico puede utilizar todo el calor producido por un combustible para realizar un trabajo. El ciclo de Carnot establece el rendimiento ideal que puede obtenerse si no hay fricción, pérdidas mecánicas, fugas, etc., pero los rendimientos reales de las máquinas son mucho menores.
La segunda ley de la termodinámica es un principio profundo de la naturaleza que afecta a la forma de utilizar la energía. Hay varios enfoques para enunciar este principio cualitativamente. A continuación se presentan algunos enfoques para dar el sentido básico del principio.
Declaración de Clausius
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Para evitar confusiones, los científicos hablan de los valores termodinámicos en referencia a un sistema y su entorno. Todo lo que no forma parte del sistema constituye su entorno. El sistema y el entorno están separados por un límite. Por ejemplo, si el sistema es un mol de gas en un recipiente, el límite es simplemente la pared interior del propio recipiente. Todo lo que está fuera del límite se considera el entorno, que incluye el propio recipiente.
La frontera debe estar claramente definida, de modo que se pueda decir con claridad si una determinada parte del mundo está en el sistema o en los alrededores. Si la materia no puede atravesar el límite, se dice que el sistema es cerrado; en caso contrario, es abierto. Un sistema cerrado puede seguir intercambiando energía con el entorno, a menos que se trate de un sistema aislado, en cuyo caso ni la materia ni la energía pueden atravesar la frontera.
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