Segunda Ley de la Termodinámica
La segunda ley de la termodinámica o segundo principio de la termodinámica expresa, de una forma concisa, que “la cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo, hasta alcanzar un valor máximo”. Pero sensiblemente, cuando una parte de un sistema cerrado interactúa con otra parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcance un equilibrio térmico.
En tanto la primera ley de la termodinámica establece la conservación de energía en cualquier transformación, la segunda ley establece las condiciones para que las transformaciones termodinámicas puedan ocurrir.
En un sentido general, la segunda ley de la termodinámica afirma que las diferencias entre sistemas en contacto tienden a igualarse. Las diferencias de presión, densidad y, particularmente, las diferencias de temperatura tienden a ecualizarse.
Esto significa que un sistema aislado llegará a alcanzar una temperatura uniforme. Una máquina térmica es aquella que proviene de trabajo eficaz gracias a la diferencia de temperaturas de dos cuerpos. Dado que cualquier máquina termodinámica requiere una diferencia de temperatura, se deriva pues que ningún trabajo util puede extraerse de un sistema aislado en equilibrio térmico, esto es, requerirá de alimentación de energía del exterior.
La segunda ley se usa normalmente como la razón por la cual no se puede crear una máquina de movimiento perpetuo. Esta máquina, en teoría, sería capaz de realizar trabajo indefinidamente sin una fuente de energía. Sin embargo, la segunda ley de la termodinámica establece que esto es imposible, ya que siempre habrá una pérdida de energía en forma de calor.
La segunda ley de la termodinámica ha sido expresada de muchas maneras diferentes. Sucintamente, se puede expresar así:
Es imposible construir un dispositivo que opere, según un ciclo, y que no produzca otros efectos, además de la transferencias de calor de un cuerpo fío para un cuerpo caliente.
En otras palabras:
Es imposible la construcción de un dispositivo que, por si solo, esto es, sin intervención del medio exterior, consigue transferir calor de un cuerpo para otro de temperatura más elevada.
Enunciado de Clausius
De este enunciado, se puede establecer la imposibilidad del “refrigerador ideal”. Así todo aparato refrigerador, para retirar calor de un ambiente, producirá más calor externamente.
Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo termodinámico y que no produzca otros efectos además del levantamiento de un peso y cambio de calor con un único reservorio térmico
En otras palabras:
Es imposible la construcción de un dispositivo que, por si solo, esto es, sin intervención del medio exterior, consiga transformar integralmente en trabajo el calor absorbido de una fuente a una dada temperatura uniforme.
Enunciado de Kelvin-Planck.
De este enunciado, se tiene como consecuencia la imposibilidad del “motor ideal”. Toda máquina producirá energía a ser utilizada con desperdicio de parte de esta en calor a ser perdido. Esto ya era citado por Carnot (Nicolás Leonard Sadi Carnot – físico francés 1796 – 1832): Para transformar calor en energía cinética, se utiliza una máquina térmica, sin embargo esta no es 100% eficiente en la conversión.
Algunos autores llaman tal enunciado como “postulado” de Kelvin y así lo describió: Ningún proceso es posible donde el único resultado es la absorción de calor de un reservorio y su conversión completa en trabajo.
De estas definiciones se puede asociar también el enunciado de Carnot: Para que una máquina térmica realice trabajo, son necesarias dos fuentes térmicas de diferentes temperaturas.
Gráficamente se puede expresar imaginando la caldera de un barco a vapor. Esta no podría producir trabajo si no fuese porque el vapor se encuentra a temperaturas y presión elevadas comparadas con el medio que las rodea.
Otra forma de ver la segunda ley de la termodinámica es por la observación de su relevancia. La primera ley en verdad, un principio de contabilidad de energía: las parcelas de energía deben ser sumadas. O sea, la primera ley trata de las cantidades de energía. La segunda ley, en tanto, al decir que la energía cinética (por ejemplo) puede ser integralmente transformada en energía térmica (calor) pero no al contrario, indica una calidad para la energía:
Ejemplarmente, se puede imaginar un automóvil a 50 Km./h. El es súbitamente frenado. Toda su energía cinética será eventualmente transformada en energía interna de las pastillas de freno (y otras fuentes de fricción) que se calentarán. Finalmente una cierta cantidad de calor será transferida para el medio ambiente. En tanto, si yo cediese la misma cantidad de calor al automóvil (o al freno), el no saldría del lugar.
Tales cuestiones de eficiencia, tiene profundas implicaciones en el proyecto de máquinas, equipamientos y diversos procesos industriales.
Matemáticamente, se expresa así:
donde S es la entropía y el símbolo de igualdad solo existe cuando la entropía se encuentra en su valor máximo (en equilibrio).
Otra manera de expresar de manera simple la segunda ley es: La entropía de un sistema aislado nunca decrece. Pero es una interpretación común que la segunda ley indica que la entropía de un sistema jamás decrece. Realmente indica solo una tendencia, esto es, solo indica que es extremadamente improbable que la entropía de un sistema cerrado decrezca en un instante dado.
Como la entropía está relacionada al número de configuraciones de misma energía que un dado sistema puede poseer, podemos valernos del concepto subjetivo de desorden para facilitar la comprensión de la segunda ley) más allá que la entropía no sea esencialmente desorden). O sea la segunda ley afirma, a grosso modo, que el desorden de un sistema aislado solo puede crecer o permanecer igual.
La segunda ley de la termodinámica también tiene implicaciones en la teoría de la información. En este contexto, la entropía puede ser vista como una medida de incertidumbre o ignorancia sobre un sistema. Por ejemplo, si se tiene un conjunto de posibles estados de un sistema y no se sabe cuál es el estado actual, entonces hay una cierta cantidad de entropía o incertidumbre asociada a ese sistema. A medida que se obtiene más información sobre el sistema y se reduce la incertidumbre, la entropía disminuye. Esta interpretación de la entropía y la segunda ley de la termodinámica ha llevado a algunas ideas fascinantes en la teoría de la información, como el principio de máxima entropía y la teoría de la información cuántica.
