La entropía y la segunda ley de la termodinámica
La definición de Entropía constituye la base de la Segunda Ley de la Termodinámica. La Entropía es una nueva función de estado, y por lo tanto se encuentra definida por los estados inicial y final de un proceso. Los cambios de entropía del universo termodinámico asociados a un determinado proceso se relacionan con la espontaneidad de los mismos.
La termodinámica se basa en axiomas
Hemos visto que la Primera Ley de la Termodinámica es una expresión de la Ley de la Conservación de la Energía. Hemos visto también la aplicación de la Primera Ley a diversos sistemas y que nos permite realizar predicciones que luego pueden ser comprobadas experimentalmente. Sin embargo, en ningún momento se dedujo la Primera Ley de la Termodinámica, sino que fue presentada como una consecuencia de las observaciones experimentales.
Este es uno de los aspectos relevantes de la Termodinámica: se funda sobre principios axiomáticos, es decir, que no pueden ser demostrados, pero cuya validez se encuentran ampliamente sustentados por la experiencia.
El primer principio de la termodinámica es la formalización del principio de conservación de la energía, según el cual la energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma. Según esto, en cualquier proceso que se da en la naturaleza, el balance de energía es nulo. Esta descripción de la naturaleza es evidentemente cierta, pero incompleta. En efecto, el primer principio nada nos dice acerca del sentido en que ses pueden ocurrir los procesos en la naturaleza de manera espontánea. Un ejemplo de esto representa cuando ponemos en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, estableciéndose un flujo de calor desde el de mayor al de menor temperatura. Según el primer principio, el calor cedido por el caliente ha de ser igual al absorbido por el frío, pero no explica porque el flujo de calor no se dirige del cuerpo frío al caliente, caso que no iría en contra del principio de conservación de la energía.
En la caída de un cuerpo desde cierta altura hasta el suelo, se produce la transformación de energía potencial en energía térmica como consecuencia del impacto. El primer principio de la Termodinámica no niega la posibilidad de transformación de energía térmica en potencial y de que el cuerpo se eleve hasta su altura inicial. Sin embargo, todos sabemos que esta transformación no se dará en forma espontánea, es decir, sin acción exterior.
La reacción exotérmica que se produce al combinar combustible y comburente desprendiendo energía y productos de la combustión, se da igualmente en un solo sentido. Nunca se ha visto, que productos de la combustión reaccionen al aportarles energía devolviéndose el combustible y el comburente originales.
La observación de la naturaleza nos indica la existencia de una limitación de los procesos que tienen lugar en ella de forma espontánea.
Esta limitación en el sentido en que se dan los procesos en la naturaleza, que no es descrita por el primer principio, impone la necesidad de establecer una ley general que determine la espontaneidad de los procesos. Esta ley es el segundo principio de la termodinámica.
Un ejemplo muy importante que impone el segundo principio de la Termodinámica a la espontaneidad de ciertos procesos es la transformación de calor en trabajo. La transformación de caloren trabajo se realiza de forma natural, por ejemplo el rozamiento. Sin embargo, la inversa es más difícil de obtener, de hecho, los motores térmicos son un invento reciente (siglo XVIII). Este y otros ejemplos nos indican que existe una diferencia esencial entre el calor y las demás formas de energía (trabajo, química, nuclear, etc.…) ya que todas ellas se pueden transformar en forma íntegra en calor, mientras que la transformación inversa no se realiza de forma completa.
Enunciados del segundo principio de la termodinámica
Definición de máquina térmica
Han sido varias las formulaciones que se han propuesto para plasmar de forma cuantitativa el criterio general sobre la posibilidad o imposibilidad de que los procesos energéticos tendrán lugar en la naturaleza de modo espontáneo. Dado el carácter eminentemente práctico que históricamente ha tenido la termodinámica, ligado al desarrollo de las primeras máquinas motrices, los postulados del segundo principio están muy centrados en el concepto de máquina térmica que definiremos a continuación.
Una maquina térmica es un sistema termodinámico compuesto por dos o más subsistemas. La máquina térmica propiamente dicha, en la cual un fluido, llamado fluido de trabajo, evoluciona de forma cíclica y reversible, transformando en trabajo el calor intercambiado con los focos o fuentes térmicas. Un foco es un sistema termodinámico que es capaz de ceder o absorber cantidades finitas de calor sin variar su temperatura. Ejemplos de focos de máquinas térmicas, pueden ser un sistema en cambio de fase, una reacción química o nuclear, etc. Según el número de focos la máquina térmica se llamará monoterma, biterma, triterma, o en general politerma.
Se establece una primera clasificación de las máquinas térmicas, definiendo máquina térmica de ciclo directo como aquella en la que la máquina produce trabajo a partir del calor intercambiado con los focos. El sentido del ciclo termodinámico en el diagrama p-v se realiza en el sentido de las agujas del reloj. Se define como máquina térmica de ciclo inverso a aquella en la que a partir de un trabajo exterior establece un flujo determinado de calor con los focos. En la práctica, las máquinas de ciclo directo se corresponden a los motores térmicos, y las de ciclo inverso a las máquinas de refrigeración o bombas de calor.
La aplicación del primer principio de la Termodinámica a la máquina térmica nos indica que si se quiere obtener trabajo de una máquina térmica, ésta debe intercambiar calor con al menos un foco. En efecto, al evolucionar de forma cíclica, la variación de energía interna es cero y el trabajo será igual al balance de calores entrantes y salientes a la máquina térmica, por lo que al menos debe existir un foco.
La aplicación del primer principio a la máquina térmica da pie a un enunciado de este primer principio que habla de la imposibilidad de crear un móvil o motor perpetuo de primera especie, definido éste como máquina térmica que produce trabajo, sin intercambiar con ninguna fuente térmica.