Termodinámica: Entropía

La termodinámica estudia los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro. Basándose en La Ley "cero", referente al concepto de temperatura, la Primera Ley de la termodinámica, que nos habla de el principio de conservación de la energía y la Segunda Ley de la termodinámica, que nos define a la entropía.

Principio de Kelvin-Planck:

"No existe un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor de una fuente y la conversión íntegra de este calor en trabajo"

Este principio nació del estudio del rendimiento de máquinas y mejoramiento tecnológico de las mismas. Sino fuera cierto, se podría hacer funcionar una central térmica tomando el calor de la energía interna del medio ambiente.

Entropía

Rudolf Clausius formuló un principio para la Segunda ley:

"No es posible proceso alguno cuyo único resultado sea la 

transferencia de calor desde un cuerpo frío a otro más 

caliente".

También introdujo el concepto de entropía como una medición de la cantidad de restricciones que existen para que un proceso se lleve a cabo y nos determina también la dirección de dicho proceso. Dicho de otra manera, es una magnitud física termodinámica que permite medir la parte no utilizable de la energía contenida en un sistema. 

Comúnmente se dice que la entropía es la medida del desorden, principalmente en los sistemas aislados y en los fenómenos naturales.

Algunos ejemplos

Las moléculas de gas en el aire de una habitación. Si la mitad de dichas moléculas tuviera vectores velocidad de igual magnitud y dirección hacia la izquierda y la otra mitra mitad fueran iguales, pero moviéndose a la derecha, la situación seria muy ordenada. Sin embargo tal condición es extremadamente improbable ya que todas las moléculas se mueven azarosamente en todas direcciones y cambian de rapidez constantemente.

Otro ejemplo es un reloj de arena, el cual es un sistema cerrado en el que no entra ni sale arena; la cantidad de arena en el reloj se mantiene constante. Sin embargo, su distribución cualitativa está constantemente cambiando, es decir, la cavidad inferior se va llenando, mientras la superior se vacía.

Esta es la analogía de la segunda ley de la termodinámica en la que la entropía (que es la arena de la cavidad inferior) aumenta constantemente.

Otros ejemplos

Procesos reversibles e irreversibles

Clausius en 1865 asocia los términos de procesos reversibles e irreversibles al segundo principio de la termodinámica definidos como:

PROCESO REVERSIBLE: aquel que se puede invertir y dejar a nuestro sistema en las mismas condiciones iniciales. Si en cierto proceso quitamos las restricciones y tomamos en cuenta que estas se van a volver a ordenar espontáneamente se consideraría un proceso reversible, pero esto dificilmente ocurrirá.

PROCESO IRREVERSIBLE: es en donde, una vez terminado, el orden que había en las condiciones iniciales del sistema ya nunca volverán a establecerse. Es muy importante este tipo de estudios ya que en la naturaleza todos los procesos son irreversibles. La descomposición radioactiva, la fricción o la viscosidad que modera el movimiento de un fluido. Todos estos procesos poseen una dirección privilegiada en el tiempo y son ejemplos de este tipo de procesos. 

Más ejemplos

Todos hemos visto alguna vez un plato que se cae desde una mesa y se rompe en fragmentos. Lo que antes estaba ordenado en una única pieza de porcelana, se convierte en una multitud de fragmentos desordenados. Pero la situación contraria, la recomposición de un plato a partir de sus fragmentos de manera espontánea, al menos que se sepa, no la ha visto nadie. 

La ruptura del plato es un suceso natural e irreversible, una secuencia temporal adecuada; su recomposición, en cambio, no lo es. Es la evolución natural del orden al desorden o, en términos científicos, la natural tendencia del Universo a aumentar su entropía.

La entropía y la energía "gastada"

En el principio enunciado por Clausius que anteriormente citamos, podemos encontrar la relación con la entropía y la energía liberada en un proceso. Pensemos en un motor. El motor necesita de una fuente de energía para poder convertirla en trabajo. Si pensamos en un coche, la gasolina, junto con el sistema de chispa del motor, proporciona la energía (química) de combustión, capaz de hacer que el auto se mueva. ¿Qué tiene que ver la entropía aquí?.

La energía que el coche "utilizó" para realizar trabajo y moverse, se "gastó", es decir, es energía liberada mediante un proceso químico que ya no es utilizable para que un motor produzca trabajo.

Este es uno de los conceptos más difíciles de entender de la entropía, pues requiere un conocimiento un poco menos trivial del funcionamiento de motores, frigoríficos y el ciclo de Carnot.

Finalmente, ¿para que sirve la entropía?

La entropía, como medida del grado de restricción o como medida del desorden de un sistema, o bien en ingeniería, como concepto auxiliar en los problemas del rendimiento energético de las máquinas, es una de las variables termodinámicas más importantes. Su relación con la teoría del caos le abre un nuevo campo de estudio e investigación a este tan "manoseado" concepto.

Bibliografías

http://www.youtube.com/watch?v=VR_i9VNaWCY

http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/ap12_entropia.php#.UIcolq6t2q0

http://www.cec.uchile.cl/~roroman/pag_2/ENTROPIA.HTM


LIBRO PARA CIENCIAS E INGENIERIA
SEPTIMA EDICION
SERWAY/ PP.554-624