La entropía y el segundo principio de la Termodinámica

Seguro que alguna vez, en un día de frío, te has frotado las manos para conseguir calentarlas. Este ejemplo es una muestra de cómo el trabajo es capaz de transformarse en calor. De igual manera podría tener lugar el proceso contrario, y lo podemos comprobar en cualquier motor en el que el calor desprendido en una combustión es capaz de provocar un movimiento o realizar un trabajo. Sin embargo existe un límite físico según el cual la conversión del calor en trabajo no es total. No es posible convertir al 100 % el trabajo en calor y este hecho está relacionado con una nueva magnitud termodinámica, que denominamos entropía. Se puede decir que así como la energía interna es una medida de la cantidad de energía contenida en un sistema, la entropía es una medida de la calidad de esa energía, es decir, de su eficiencia al realizar un trabajo.

Entropía

En un proceso reversible, la variación de entropía (S) se define como:

entropia-proceso-reversible

Es una magnitud extensiva y su unidad en el Sistema Internacional es J/K.

Un proceso reversible es realmente un proceso ideal que transcurre a partir de infinitos estados de equilibrio (la variación entre cada uno de estos estados es tan pequeña que los denominados procesos cuasiestáticos). Aunque en la práctica supongamos que algunos procesos se aproximan a esta condición ideal, los procesos reales son procesos irreversibles en los que se cumple:

entropia-proceso-irreversible

La entropía es una función de estado, por lo que su variación no depende del camino seguido y se puede determinar a partir de los estados inicial y final de un proceso:

entropia-funcion-estado

Según esto, la variación de entropía de un proceso que transcurre de manera reversible será la misma que si transcurre de manera irreversible. Entonces, ¿qué los diferencia? Pues atendiendo a la definición de variación de entropía que hemos dado, la diferencia entre ambos procesos reside en la cantidad de calor intercambiado en cada uno:

entropia-proceso-reversible-vs-irreversible

Segundo Principio de la Termodinámica

Una de las maneras que tenemos de enunciar el segundo principio de la Termodinámica es:

La entropía del Universo tiende a incrementarse con el tiempo

segund-principio-termodinamica

Cualquier proceso real es irreversible, en consecuencia, provocará siempre un aumento de entropía en el Universo.

¿Significa esto que en todo proceso se incrementa la entropía? Si consideramos un sistema aislado, en el que no hay intercambio de materia ni energía, cualquier proceso espontáneo está asociado a un aumento de entropía, pero no todos los procesos lo son. Si consideramos que un sistema junto con su entorno se comporta como un sistema aislado:

entropia-universo

La variación de entropía que experimenta el sistema más la variación de entropía que experimenta el entorno será cero (si el proceso es reversible) o positiva (si es irreversible). Si un proceso transcurre con disminución de entropía, es porque se está provocando un incremento de entropía en el entorno.

Entropía y Desorden

Hasta ahora no hemos dado un significado físico a la entropía, y realmente es complicado hacerlo. Sin embargo, en términos microscópicos, podemos interpretar la entropía como la magnitud que mide el grado de desorden que posee un sistema.

Si tiramos un puñado de monedas al aire, lo más probable es que todas caigan al suelo desordenadamente. La probabilidad de que las monedas caigan ordenadas, unas encima de otras, es realmente ínfima. Pues bien, cuanto mayor es el valor de la entropía de un sistema, mayor es el grado de desorden y, por tanto, mayor es la probabilidad de que el sistema se encuentre en este estado. Es por ello que los procesos espontáneos tienden a un mayor grado de desorden, es decir, a un aumento de entropía.

entropia

Cuando decimos que el Universo tiende a aumentar su entropía es porque cualquier proceso conduce a un mayor grado de desorden, bien porque el propio sistema aumenta su desorden, o bien porque provoca un mayor desorden en su entorno.

Un proceso en el que disminuye la entropía no es espontáneo, ya que requiere un trabajo aumentar el orden, pero eso es algo que ya habrás comprobado… ¿o acaso tu cuarto se ordena sólo?

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