1) La primera ley de la termodinámica establece la conservación de la energía y considera al calor como una forma de transferencia de energía, mientras que la segunda ley introduce la idea de irreversibilidad de ciertos procesos y la noción de entropía como una medida del desorden en un sistema. 2) La entropía siempre aumenta en los procesos naturales espontáneos, lo que significa que la energía se degrada con el tiempo al convertirse en una forma no disponible para realizar trabajo. 3) Debido al

1. COLEGIO SAN CARLOS/Gullizam
RESUMEN TERMODINÁMICA NM4
La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de
la energía generalizada para incluir el calor como una forma de
transferencia de energía.
Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las formas de
energía debe estar acompañado por una disminución en alguna
otra forma de la misma. La primera ley no produce ninguna
restricción sobre los tipos de conversiones de energía que
pueden ocurrir. Además no hace distinción entre el trabajo y el
calor. De acuerdo con la primera ley, la energía interna de un
sistema se puede incrementar ya sea agregando calor o
realizando un trabajo sobre el sistema.
Pero existe una diferencia muy importante entre el trabajo y el
calor que no se evidencia de la primera ley. Por ejemplo, es
posible convertir completamente el trabajo en calor, pero en la
practica, es imposible convertir completamente el calor en
trabajo sin modificar los alrededores.
La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de
la naturaleza pueden ocurrir o no. De todos los procesos
permitidos por la primera ley, solo ciertos tipos de conversión de
energía pueden ocurrir. Los siguientes son algunos procesos
compatibles con la primera ley de la termodinámica, pero que se
cumplen en un orden gobernado por la segunda ley.
1) Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se
ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del objeto más
cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido.
2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la
extracción de la sal del agua requiere algún trabajo externo
3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta
detenerse, pero el proceso inverso nunca ocurre. Todos estos son
ejemplos de procesos irreversibles, es decir procesos que
ocurren naturalmente en una sola dirección. Ninguno de estos
procesos ocurre en el orden temporal opuesto. Si lo hicieran,
violarían la segunda ley de la termodinámica. La naturaleza
unidireccional de los procesos termodinámicos establece una
dirección del tiempo.
La segunda ley de la termodinámica, que se puede enunciar de
diferentes formas equivalentes, tiene muchas aplicaciones
prácticas. Desde el punto de vista de la ingeniería, tal vez la más
importante es en relación con la eficiencia limitada de las
máquinas térmicas. Expresada en forma simple, la segunda ley
afirma que no es posible construir una máquina capaz de
convertir por completo, de manera continua, la energía térmica
en otras formas de energía.
Primera ley:
Esta ley esta basada en el principio de conservación de la energía
y se puede enunciar así: En cualquier proceso termodinámico, el
calor neto absorbido por un sistema es igual a la suma del
equivalente térmico del trabajo realizado por él y el cambio de
su energía interna. ΔQ = ΔW + ΔU
Donde :
ΔQ = Transferencia de Calor del Sistema
ΔW = Trabajo realizado
ΔU = Cambio de Energía interna
Segunda ley:
Esta ley plantea la imposibilidad de convertir 100 % de la
energía térmica en trabajo útil. Esta ley se podría definir de
muchas formas aquí presentamos dos posibles.
El calor nunca fluye por sí mismo de un cuerpo frío a otro
caliente
Es imposible construir una máquina que, si opera
continuamente, no produzca otro efecto que la extracción de
calor de una fuente y la realización de una cantidad equivalente
de trabajo.
Entonces el calor siempre fluye de lo caliente a lo frió, en una
maquina térmica por ejemplo se generara una alta temperatura
que servirá para producir un trabajo útil y una baja que será
desechada. También se podría afirmar que la calidad de la
energía se va deteriorando, los sistemas se van degenerando,
veamos como la gasolina que se quema en un auto y que se
utiliza en una pequeña parte nunca se podrá concentrar de nuevo,
es un proceso irreversible, entonces toda la energía existe
pero queda disipada y el desorden continuara sin retroceso
Entropía
Es la medida de la cantidad de desorden y supone que la
entropía se incrementa siempre.
Supongamos el caso de un automóvil y veamos la siguiente
tabla:
Solo un 26% se utiliza el resto es energía que se disipa, se
agrega al desorden universal.
Aun este 26 % no es totalmente utilizado en la aceleración
del vehículo.
Salida de energía del motor 26% = energía utilizada en la
aceleración 3% + fricción en el rodamiento 6% + energía
para los accesorios 3% + pérdidas en marcha cuesta abajo y
vacío 4% + resistencia del aire 7% + pérdidas en la
transmisión de potencia 3%.
Entonces la entropía es un hecho real, hay una energía que se
quema, parte se utiliza otra se disipa y el proceso es
irreversible. La entropía se enuncia de la siguiente forma
T
Q
S


Donde ΔS: Es el cambio de Entropía
ΔQ: Cantidad de calor agregado a un sistema
T : Temperatura absoluta del sistema
La Entropía confirma la creación
La termodinámica es la parte de la física que trata de la
acción mecánica del calor. Dos concepto: calor y acción
mecánica, dan lugar al nombre, termodinámica.
Podemos decir que el desarrollo de la termodinámica ha
determinado el desarrollo tecnológico de la civilización. El
hombre a través de los siglos ha ido aprendiendo a conocer y
utilizar las fuerzas de la naturaleza. Las leyes de la
termodinámica son muy generales y se aplican a amplísimos
y variados campos, que van desde la dieta adecuada para
aumentar o bajar de peso hasta la teoría de la evolución del
universo.
En la termodinámica se manejan dos conceptos básicos:
energía y entropía. La energía determina el primer principio,
la entropía el segundo.
Primer principio de la termodinámica.
Leibniz (1646-1716) al interesarse por las "fuerzas vivas"
(energía) que causan el movimiento, o sea la vis-viva y vis-
morta, que actualmente se llaman energía cinética y
potencial, descubrió que eran convertibles entre sí, y que la
suma de las dos era constante.
Con su intuición se adelantó varios siglos a lo que luego se
llamara el "primer principio de la termodinámica",
formulado por Sadi Camot en 1824. El principio se expresa
así: "La energía del universo permanece constante. El calor
no es otra cosa que la potencia motriz que ha cambiado de
forma. Donde hay destrucción de potencia motriz hay al
mismo tiempo producción de calor en cantidad precisamente
proporcional a la cantidad de potencia motriz destruida.
Recíprocamente, donde hay destrucción de calor hay
producción de potencia motriz". En otros términos, el calor
genera potencia motriz, acción mecánica o movimiento, y
éste, a su vez, genera calor. Ambos son constantes en el
universo.
La naturaleza constituye una inmensa fuente de energía
donde se realizan procesos y trabajos sin la intervención del
hombre, es decir, procesos espontáneos. La espontaneidad
tienen un sentido, una dirección. Si se quema carbono en
nuestra atmósfera terrestre oxigenada se formará dióxido de
carbono, perdiendo el sistema gran cantidad de calorías que
ganará el entorno. Esto sucede cuando se quema un bosque.

2. El proceso inverso, que el dióxido de carbono vuelva a formar el
bosque no es natural, no es espontáneo en las condiciones
terrestres.
Segundo principio de la termodinámica.
El primer principio sólo nos habla de la conservación y
transformación de energía, sin precisarnos el sentido de la
transformación. Vimos que no es espontáneo que el bosque se
reconstruya a partir de sus componentes.
Este concepto de irreversibilidad no viola el concepto expresado
en el primer principio, sino que introduce la idea de jerarquía de
las distintas energías.
La energía mecánica es superior a la calórica, pues podemos
transformarla toda en calor, pero el calor producido no podemos
transformarlo todo en energía mecánica. Esto nos indica que
transformar energía mecánica en calórica es un proceso
irreversible basado en la jerarquía de energías. En 1850, Joule,
queriendo precisar las equivalencias de las energías, construyó
un aparato consistente en una batea aislada que poseía un eje con
paletas que se podían mover por un sistema de poleas al caer un
peso de determinada altura. Conociendo el peso, la distancia
recorrida, la temperatura inicial del agua, su volumen y la
temperatura final, se obtuvo la equivalencia entre el trabajo
mecánico efectuado y el calor desarrollado, y la equivalencia dio
que por cada 427 kilográmetros se obtiene una kilocaloría (o sea
1.000 calorías). Pero invirtiendo el proceso, con una kilocaloría
no podemos realizar el trabajo de 427 kilográmetros. El proceso
es irreversible. Esa irreversibilidad nos indica que hay una
porción de energía calórica que no podemos utilizar, que se nos
escapa en la transformación. A esa energía no utilizable, Clasius
le dio el nombre de entropía.
Clasius definió el segundo principio de la siguiente manera: "El
calor no puede pasar por sí mismo de un cuerpo de temperatura
más baja a otro de temperatura más alta". Para precisar aun más
el concepto de entropía podemos decir que mientras la energía
sirve para efectuar trabajos y transformaciones, la entropía no.
¿La entropía es energía? Es una energía no aprovechable, no
utilizable, una energía que no sirve, una energía degradada. ¿Y
una energía que no sirve es energía? En esta ambigüedad,
algunos dicen que es "la sombra de la energía" pues siempre la
acompaña. A pesar de su ambigüedad, todos sabemos que si no
vamos a la mesa a tiempo la comida se nos enfría, y que por sí
sola nunca podrá calentarse. Por eso este proceso es irreversible.
Del principio de la irreversibilidad de los fenómenos de la
naturaleza y de esta llamada degradación de la energía, se deriva
un problema de gran trascendencia para la cosmología. Si todas
las experiencias nos inclinan a admitir la entropía, la ley es
general. Es decir, si en todo el universo sucede que la energía de
un modo u otro se manifiesta en forma de calor, y este proceso
es irreversible, resultaría probada, por la ciencia natural, la
siguiente tesis: "El mundo universo, a menos que intervenga una
causa extrínseca al mismo (como sería poner la comida en el
fuego nuevamente) naturalmente, ha de tener fin, en cuanto todo
en él se ha de reducir por el natural curso de las cosas a un
estado de muerte y de inacción".
En efecto; el principio admitido es que la entropía o cantidad de
energía no utilizable va siempre en aumento (no utilizable para
producir una acción). Por otra parte, para la ciencia actual está
probado que según el primer principio de la termodinámica, la
suma total de energía existente en el universo es constante.
Luego, llegará un momento en que nada quedará de ella
disponible, como energía utilizable; lo que equivale a decir que
no habrá acción posible.
De esta consecuencia, la de la relación entre el primer y segundo
principio de la termodinámica y de la ley de aumento de la
entropía, se deduce otra más trascendental para la metafísica, y
es la siguiente: "No sólo no es necesario que el mundo sea
eterno, sino que la sola razón prueba que empezó en el tiempo".
Si ha de llegar el mundo algún día en el tiempo al estado de esta
inacción o muerte de la que hicimos mención, en el caso que
hubiese existido desde toda la eternidad ya habría llegado este
momento, que ahora se calcula, de necesaria extinción para la
vida del mundo. Por lo tanto, el hecho evidente de que no ha
llegado es testimonio de que el mundo no es eterno. Sería
esto una comprobación del hecho revelado de que el
universo fue creado finito, contingente, y por lo tanto no
eterno. Con un comienzo y con un fin.
Epílogo.
La energía del universo es un "quántum" constante, o sea
nunca podrá encontrarse pérdida o aumento de la misma.
Vimos que la energía mecánica es superior a la calórica,
pues mientras podemos transformarla toda en calor, no
podemos transformar todo el calor en energía mecánica. A
este resto de energía inutilizable, que hace irreversible todo
proceso de la naturaleza, se llama entropía.
El universo -como todo sistema termodinámico- va
aumentando su entropía. La energía inutilizable es cada vez
mayor, lo que lleva al enfriamiento del universo, al
equilibrio total, a la muerte del movimiento. Repito, la
energía del universo es constante (primer principio), lo que
aumenta es la energía degradada incapaz de producir acción
mecánica (entropía, segundo principio).
La idea de que la energía ordenada tiende a transformarse en
energía desordenada está contenida en el concepto de
Entropía. La entropía es la medida de la cantidad de
desorden. Si el desorden aumenta, la Entropía aumenta. La
segunda ley establece que en los procesos naturales la
entropía siempre aumenta a la larga. Las moléculas de gas
que escapan de un frasco pasan de un estado relativamente
ordenado a uno desordenado. Con el tiempo, las estructuras
organizadas se convierten, en ruinas desorganizadas. Las
cosas se echan a perder por sí solas. Siempre que se permite
que un sistema físico distribuya libremente su energía lo
hace de tal modo que su entropía aumenta y la energía
disponible en el sistema para realizar trabajo disminuye.
En los sistemas físicos la entropía aumenta normalmente,
sin embargo, cuando se suministra trabajo al sistema, como
en el caso de los organismos vivos, la entropía disminuye.
Todo ser viviente, desde las bacterias y los árboles hasta los
seres humanos, extrae energía de su entorno y la utiliza para
incrementar su propio grado de organización.
Este orden de las formas de vida se conserva aumentando la
entropía en otro lugar, de tal manera que las formas de vida
junto con los productos de desecho experimentan una
reducción neta de entropía.
Se debe transformar energía en el sistema viviente para que
este se mantenga con vida. De lo contrario, el organismo
muere muy pronto y tiende al desorden.
La primera ley de la termodinámica es una ley universal de
la naturaleza de la cual no se han observado excepciones. La
segunda ley, sin embargo, es una afirmación de probabilidad
Dado el tiempo suficiente, pueden ocurrir hasta los estados
poco probables; la entropía puede disminuir a veces
espontáneamente. Por ejemplo, los movimientos aleatorios
de las moléculas del aire podrían por un instante hacerse
armoniosos en un rincón de la habitación, del mismo modo
que si vaciamos en el piso un tonel lleno de monedas, todas
ellas podrían caer del mismo lado. Estas situaciones son
posibles pero no probables.
La segunda ley nos indica el rumbo más probable que
pueden tomar los acontecimientos, no el único posible.
A veces se enuncian las leyes de la termodinámica de esta
manera:
No hay forma de ganar (Porque no puedes obtener de
un sistema más energía de la que suministras)
No hay forma de empatar (Porque ni siquiera puedes
obtener tanta energía como la que inviertes)
No hay forma de salir del juego (Porque la Entropía
del universo siempre aumenta).