Comentarios
La energía disponible de un sistema disminuye a medida que su temperatura o presión disminuye y se acerca al equilibrio del entorno. Cuando se transfiere el calor de un sistema, su temperatura disminuye y por lo tanto la calidad de su energía se deteriora. La degradación es mayor porque la pérdida de energía puede ser la misma, pero la calidad de las pérdidas es diferente. Mientras que la primera ley afirma que la energía siempre se conserva en cantidad, la segunda ley subraya que la energía siempre se degrada en calidad. Cuando un gas se acelera adiabáticamente desde una región de alta presión hasta una región de baja presión, la entalpía (o energía por unidad de masa) permanece constante, pero hay una degradación de la energía o del trabajo disponible. Lo mismo ocurre con la caída de presión debida a la fricción de un fluido que fluye por una tubería aislada. Si la primera ley de la termodinámica es la ley de la conservación de la energía, la segunda ley de la termodinámica también se conoce como la ley de la degradación de la energía.
Ley de la entropía
Ley de conservación de la energíaEn otros idiomas: FrançaisLa ley de la conservación de la energía establece que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo convertirse de una forma de energía a otra. Esto significa que un sistema siempre tiene la misma cantidad de energía, a menos que se añada desde el exterior. Esto es especialmente confuso en el caso de las fuerzas no conservativas, en las que la energía se convierte de energía mecánica en energía térmica, pero la energía global sigue siendo la misma. La única manera de utilizar la energía es transformar la energía de una forma a otra.
Aunque estas ecuaciones son extremadamente potentes, pueden hacer que sea difícil ver el poder de la afirmación. El mensaje que hay que extraer es que la energía no puede crearse de la nada. La sociedad tiene que obtener la energía de algún sitio, aunque hay muchos lugares furtivos de donde obtenerla (algunas fuentes son combustibles primarios y otras son flujos de energía primarios).
A principios del siglo XX, Einstein descubrió que incluso la masa es una forma de energía (lo que se denomina equivalencia masa-energía). La cantidad de masa está directamente relacionada con la cantidad de energía, tal y como determina la fórmula más famosa de la física:
La segunda ley de la termodinámica define
Esta ley, también conocida como Segunda Ley de la Termodinámica, rige los procesos irreversibles. Establece que las diferencias de niveles de energía siempre tienden a desaparecer. Así, el agua fluye espontáneamente de un nivel superior a otro inferior; lo mismo ocurre con el calor, que fluye de la temperatura superior a la inferior. La misma relación es válida para el flujo de carga eléctrica, ya que fluye de un potencial más alto a uno más bajo. La ecuación 1-2 puede ampliarse de la siguiente forma
Considere un motor eléctrico estacionario como sistema y suponga que este motor se pone en marcha mientras está conectado a su carga. Toda la energía que entra en el motor es eléctrica siempre que la temperatura ambiente no supere la temperatura del motor. Los dos componentes principales de la energía que sale del motor son
La ganancia de energía irreversible en el motor sería la que eleva la temperatura del motor, es decir, el calor resultante de las pérdidas eléctricas y magnéticas, así como de las pérdidas por fricción y por efecto del viento.
En algunos sistemas, parte o la totalidad de la energía reversible almacenada puede cambiar su forma de energía potencial a energía cinética y viceversa. El péndulo simple ofrece un buen ejemplo del cambio periódico de la energía almacenada. Supongamos que un pequeño cuerpo C de masa M está suspendido por un hilo de masa despreciable y de longitud l desde el punto 0 como se muestra en la Fig. 1-3.
La materia sólo cambia de una forma a otra
La segunda ley de la termodinámica, en otras versiones, establece el concepto de entropía como propiedad física de un sistema termodinámico. Puede utilizarse para predecir si los procesos están prohibidos a pesar de obedecer el requisito de conservación de la energía expresado en la primera ley de la termodinámica y proporciona los criterios necesarios para los procesos espontáneos. La segunda ley puede formularse a partir de la observación de que la entropía de los sistemas aislados que se dejan evolucionar espontáneamente no puede disminuir, ya que siempre llegan a un estado de equilibrio termodinámico en el que la entropía es máxima con una energía interna determinada[4]. El aumento de la entropía combinada del sistema y del entorno explica la irreversibilidad de los procesos naturales, a la que a menudo se refiere el concepto de la flecha del tiempo[5].
Históricamente, la segunda ley fue un hallazgo empírico que se aceptó como un axioma de la teoría termodinámica. La mecánica estadística proporciona una explicación microscópica de la ley en términos de distribuciones de probabilidad de los estados de grandes conjuntos de átomos o moléculas. La segunda ley se ha expresado de muchas maneras. Su primera formulación, que precedió a la definición propia de entropía y se basó en la teoría calórica, es el teorema de Carnot, formulado por el científico francés Sadi Carnot, que en 1824 demostró que la eficiencia de la conversión de calor en trabajo en una máquina térmica tiene un límite superior[6][7]. [6] [7] La primera definición rigurosa de la segunda ley basada en el concepto de entropía fue formulada por el científico alemán Rudolph Clausius en la década de 1850, e incluía su afirmación de que el calor nunca puede pasar de un cuerpo más frío a otro más caliente sin que se produzca al mismo tiempo algún otro cambio relacionado con él.