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Segunda ley de la termodinámica

1850

Sadi Carnot
Rudolf Clausius
William Thomson (Lord Kelvin)

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

La segunda ley introduce el concepto de entropía y define la dirección de los procesos espontáneos. Puede enunciarse de diversas maneras, pero una consecuencia clave es que la entropía total de un sistema aislado nunca disminuye con el tiempo. Esta ley explica la «flecha del tiempo» y por qué algunos procesos son irreversibles, como el flujo espontáneo de calor de un cuerpo caliente a uno frío.

La Segunda Ley es uno de los principios más profundos de la ciencia. Una de sus primeras formulaciones es la de Clausius: «El calor nunca puede pasar de un cuerpo más frío a uno más caliente sin que se produzca simultáneamente algún otro cambio relacionado». Otra es la de Kelvin-Planck: «Es imposible diseñar un dispositivo de funcionamiento cíclico cuyo único efecto sea absorber energía en forma de calor de un único depósito térmico y realizar una cantidad equivalente de trabajo». Ambas afirmaciones prohíben las máquinas de movimiento perpetuo del segundo tipo.

The law’s novelty was the introduction of irreversibility into fundamental physics. While the First Law deals with energy conservation, the Second Law deals with energy quality and its inevitable degradation to less useful forms (waste heat). Ludwig Boltzmann later provided a statistical interpretation, defining entropy ([latex]S[/latex]) as a measure of the number of possible microscopic arrangements (microstates) that correspond to a system’s observed macroscopic state. The formula [latex]S = k_B \ln W[/latex] connects entropy to statistical probability, explaining that systems tend to evolve towards their most probable (highest entropy) state.

Energía, Entropía, Tratamiento térmico, Optimización de procesos, Ingeniería de confiabilidad, Análisis estadístico, Desarrollo sostenible, Termodinámica

UNESCO Nomenclature: 2212

- Termodinámica, física estadística y materia condensada

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Revolucionario

Uso

Uso generalizado

Precursores

Sadi Carnot’s work on the motive power of fire and the ideal heat engine cycle
Observaciones de la ineficiencia inherente de las máquinas de vapor
La comprensión intuitiva de que el calor no fluye espontáneamente del frío al calor.
Desarrollo de la teoría de la probabilidad y la estadística por Laplace y otros

Aplicaciones

Diseño de máquinas térmicas y refrigeradores eficientes (eficiencia de Carnot)
Ingeniería química para predecir la espontaneidad de las reacciones
teoría de la información, donde la entropía de Shannon es una medida del contenido de información
cosmología (la hipótesis de la "muerte térmica del universo")
Ciencia de los materiales para comprender el desorden y las transiciones de fase

Patentes:

Ideas para posibles innovaciones

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Relacionado con: segunda ley, entropía, irreversibilidad, flecha del tiempo, máquina térmica, enunciado de Clausius, enunciado de Kelvin-Planck, desorden, mecánica estadística, espontaneidad.

Contexto histórico

Aparato de laboratorio para medir la energía interna y la entalpía de un gas perfecto en termodinámica.

Energía interna y entalpía de un gas perfecto

Para un gas perfecto, la energía interna ([latex]U[/latex]) y la entalpía ([latex]H[/latex]) son sólo funciones de la temperatura. Sus cambios vienen dados por [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] y [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], donde [latex]c_v[/latex] y [latex]c_p[/latex] son los calores específicos a volumen y presión constantes, respectivamente, y se suponen constantes.

Investigador probando las propiedades viscoelásticas de un polímero sintético en un laboratorio.

Viscoelasticidad

La viscoelasticidad es la propiedad de los materiales que presentan características viscosas y elásticas al deformarse. Los materiales viscosos, como la miel, resisten el flujo cortante y la deformación linealmente con el tiempo cuando se les aplica una tensión. Los materiales elásticos, como una banda elástica, se deforman al estirarse y vuelven rápidamente a su estado original una vez que se elimina la tensión. Los materiales viscoelásticos tienen elementos de ambos.

Científico midiendo la sublimación en un laboratorio antiguo, estudio de termodinámica.

Enthalpy of Sublimation

La entalpía de sublimación, [latex]\Delta H_{text{sub}}[/latex], es el calor necesario para convertir un mol de una sustancia de sólido a gas a una temperatura y presión dadas. Según la Ley de Hess, puesto que la entalpía es una función de estado, este cambio de energía es la suma de la entalpía de fusión ([latex]\Delta H_{text{fus}}[/latex]) y la entalpía de vaporización ([latex]\Delta H_{text{vap}}[/latex]).

Segunda ley de la termodinámica

Escena de laboratorio que ilustra experimentos termodinámicos sobre el modelo de gas perfecto.

El modelo del gas perfecto

Un gas perfecto es un modelo teórico de un gas en el que se desprecian las fuerzas intermoleculares y se supone que las capacidades caloríficas específicas ([latex]C_P[/latex] y [latex]C_V[/latex]) son constantes con respecto a la temperatura. Esto simplifica considerablemente los cálculos termodinámicos. Es un caso específico del gas ideal, en el que los calores específicos pueden variar con la temperatura, lo que lo convierte en un modelo más restringido.

Escena de laboratorio del siglo XIX con Ludwig Boltzmann estudiando la ley del gas ideal en termodinámica estadística.

Ley de los gases ideales (forma estadística)

La formulación de mecánica estadística de la ley de los gases ideales expresa la relación en términos de las propiedades microscópicas del gas. Relaciona la presión ([latex]P[/latex]) y el volumen ([latex]V[/latex]) con el número total de partículas ([latex]N[/latex]) y la temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) a través de la constante de Boltzmann ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].

Efecto Thomson

El efecto Thomson describe el calentamiento o enfriamiento de un conductor de corriente cuando existe un gradiente de temperatura a lo largo de su longitud. El calor se produce o se absorbe cuando la corriente fluye a través de un material con un gradiente de temperatura. La tasa de producción de calor por unidad de longitud viene dada por [latex]\frac{dQ}{dx} = -\mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex], donde [latex]\mathcal{K}[/latex] es el coeficiente de Thomson.

1845

1850

1851

1842

1847

1850

1851

Laboratorio del siglo XIX con instrumentos termodinámicos y ecuaciones de relación de Mayer.

Relación de Mayer (termodinámica)

La relación de Mayer relaciona los calores específicos de un gas perfecto con la constante específica de los gases ([latex]R_s[/latex]). La relación es [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Para los calores específicos molares ([latex]C_p[/latex] y [latex]C_v[/latex]), la relación es [latex]C_p - C_v = R[/latex], donde [latex]R[/latex] es la constante universal de los gases. Esto demuestra que [latex]c_p[/latex] es siempre mayor que [latex]c_v[/latex].

Laboratorio del siglo XIX con físicos que estudian los principios de conservación de la energía.

Conservación de energía

Principio fundamental según el cual la energía total de un sistema aislado permanece constante a lo largo del tiempo. La energía no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse de una forma a otra, por ejemplo, de energía potencial a energía cinética. En mecánica clásica, para sistemas con sólo fuerzas conservativas, la energía mecánica total [latex]E = T + V[/latex] se conserva.

Montaje de laboratorio para medir la viscosidad de los fluidos a distintas temperaturas en termodinámica.

Dependencia de la temperatura de la viscosidad

En un fluido newtoniano, la viscosidad es función de la temperatura y la presión, pero no de la velocidad de cizallamiento. En líquidos, la viscosidad disminuye significativamente al aumentar la temperatura, ya que una mayor energía térmica permite que las moléculas superen las fuerzas intermoleculares cohesivas con mayor facilidad. Por el contrario, en gases, la viscosidad aumenta con la temperatura, ya que las colisiones moleculares más frecuentes a mayor velocidad provocan una mayor transferencia de momento.

Primera ley de la termodinámica

La Primera Ley es un enunciado de la conservación de la energía. Postula que el cambio en la energía interna de un sistema cerrado ([latex]\Delta U[/latex]) es igual al calor suministrado al sistema ([latex]Q[/latex]) menos el trabajo realizado por el sistema sobre su entorno ([latex]W[/latex]). La ecuación rectora es [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Esta ley relaciona el calor, el trabajo y la energía interna, estableciendo el calor como una forma de transferencia de energía.

Químico realizando experimentos con catalizadores en un laboratorio de época, 1850.

Catalizador en equilibrio químico

Un catalizador aumenta la velocidad de las reacciones directa e inversa por igual al proporcionar una vía de reacción alternativa con menor energía de activación. Si bien un catalizador permite que un sistema alcance el equilibrio mucho más rápido, no altera la posición del equilibrio en sí. Las concentraciones de equilibrio de reactivos y productos, así como el valor de la constante de equilibrio K, permanecen inalterados.

Químico del siglo XIX que mide el volumen de los gases para ilustrar la ley de los gases ideales en termodinámica.

Ley de los gases ideales (forma molar)

La ley de los gases ideales es la ecuación de estado de un gas ideal hipotético, que aproxima el comportamiento de muchos gases en diversas condiciones. La forma molar relaciona la presión ([latex]P[/latex]), el volumen ([latex]V[/latex]), la cantidad de sustancia en moles ([latex]n[/latex]) y la temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) mediante la constante universal de los gases ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].

Aparatos de laboratorio para medir la presión de vapor y la temperatura en termodinámica.

Relación de Clausius-Clapeyron

La relación Clausius-Clapeyron describe la relación entre presión y temperatura para una sustancia en una transición de fase, como líquido y vapor. Para el vapor de agua, muestra que la presión de vapor de saturación aumenta exponencialmente con la temperatura. La forma aproximada es [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], donde L es el calor latente.

Sistema de frenado por corrientes de Foucault en un entorno industrial que demuestra las aplicaciones del electromagnetismo.

Corrientes de Foucault (Corrientes de Foucault)

Las corrientes de Foucault son bucles de corriente eléctrica inducidos en conductores masivos por un campo magnético variable, de acuerdo con la ley de Faraday. Fluyen en bucles cerrados en planos perpendiculares al campo magnético. Según la ley de Lenz, estas corrientes crean su propio campo magnético que se opone al cambio en el flujo externo, provocando una fuerza de repulsión o arrastre y un calentamiento resistivo.

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)