ENTROPÍA
Definicion:
Relacionada al cambio, mudanza, evolución, desorden
El soporte fundamental de la Segunda Ley de la Termodinámica
es la entropía
Es una magnitud que nos entrega el grado de desorden o caos de un
sistema. Si algo se ordena es porque recibe energía externa al sistema.
Es una magnitud que nos entrega el grado de desorden o caos de un sistema. Si algo se ordena es porque recibe energía externa al sistema. “La evolución espontánea de un sistema aislado se traduce siempre en un aumento de su entropía el cual refleja la aleatoriedad del
movimiento molecular.”
Si un huevo cae y se rompe en el piso, es prácticamente imposible recolectar todas las moléculas del huevo y formar uno nuevo.
Los procesos espontáneos tienden a aumentar la entropía hasta un valor máximo.
Ejemplo:
El flujo de calor irreversible, aumenta el desorden porque las
moléculas inicialmente están clasificadas en regiones más
calientes y más frías, este desorden se pierde cuando el sistema alcanza el equilibrio térmico.
La adición de calor a un cuerpo aumenta su desorden porque
aumenta las velocidades moleculares medias, por tanto la aleatoriedad del movimiento molecular.
La expansión libre de un gas aumenta su desorden porque las moléculas tienen mayor aleatoriedad de posición después de la expansión.
La palabra entropía fue utilizada por Clausius en 1850 para calificar el grado de desorden de un sistema. Por tanto la segunda ley de la termodinámica está diciendo que los sistemas aislados tienden al desorden, a la entropía.
Este desorden se grafica en la mayor o menor producción de energía disponible o no disponible, y sobre esta base, también podemos definir la entropía como el índice de la cantidad de energía no disponible en un sistema termodinámico dado en un momento de su evolución.
Según esta definición, en termodinámica hay que distinguir entre energía disponible o libre, que puede ser transformada en trabajo y energía no disponible o limitada, que no puede ser transformada en él.
Para comprender conceptualmente lo dicho, analicemos el ejemplo de un reloj de arena, que es un sistema cerrado en el que no entra ni sale arena.
La cantidad de arena en el reloj es constante; la arena ni se crea ni se destruye en ese reloj. Esta es la analogía de la primera ley de la termodinámica: no hay creación ni destrucción energía.
Aunque la cantidad de arena en el reloj es constante, su distribución cualitativa está constantemente cambiando: la cavidad inferior se va llenando, mientras la cavidad superior se vacía. Esta es la analogía de la segunda ley de la termodinámica, en la que la entropía (que es la arena de la cavidad inferior) aumenta constantemente.
Agua fría
Agua caliente
La arena de la cavidad superior (la menor entropía) es capaz de hacer un trabajo mientras cae, como el agua en la parte superior de una catarata. La arena en la cavidad inferior (alta entropía) ha agotado su capacidad de realizar un trabajo. El reloj de arena no puede darse la vuelta: la energía gastada no puede reciclarse.
Consideremos el ejemplo de mezclar agua caliente y agua fría.
Podemos usar estas aguas como dos depósitos caliente y fría de una máquina de calor
Agua fría
Agua caliente
Q
Al tomar calor del agua caliente y ceder al agua fría podríamos haber obtenido algo de trabajo mecánico
Pero una vez que las dos se mezclan y alcanzan una temperatura uniforme esa oportunidad de convertir calor en trabajo mecánico se pierde.
No es que se pierde la energía al mezclarse agua fría con caliente sino oportunidad
Cuando la entropía aumenta, la energía está menos disponible
La entropía estará de finido como:
Si agregamos un calor total Q durante un proceso isotérmico a
temperatura absoluta T, el cambio de entropía total estará dado por:
dS=dQ T
Unidades:
[S]=J
K
Entropía en procesos cíclicos
APLICACIONES
En muchos textos de física, se hace una presentación de la segunda ley de la termodinámica aplicada a ciclos termodinámicos y a dispositivos cíclicos. Aunque este es un enfoque muy importante y útil, existen otros casos en que se tiene interés en procesos más que en ciclos. Por ejemplo, se podría estar interesado en el análisis que se puede
∆ S=S2−S1=Q
T
hacer en base a la segunda ley de la termodinámica en procesos espontáneos que acontecen diariamente, tales como el proceso de combustión en un motor de un automóvil, el típico enfriamiento de un líquido a temperatura elevada que se encuentra en un recipiente al aire libre, la caída de un cuerpo tal como una piedra, o una pelota que está dando botes y termina por detenerse.
Siendo los frotamientos la principal causa de irreversibilidad de la entropía,
comprendemos por qué tratamos de minimizarlos; es el fin de la lubricación de las piezas en contacto y en movimiento en un conjunto mecánico. Con la misma cantidad de esencia vamos a recuperar menos trabajo mecánico con arreglo a la velocidad del coche, cuanto
más el coche va rápidamente y menos la distancia recorrida es grande.
La velocidad está allí, un factor de irreversibilidad. Una pila eléctrica abastece más
de trabajo eléctrico si su funcionamiento se acerca a la reversibilidad, es decir si tiene una tensión débil y una corriente débil de funcionamiento. En cambio si se pone en cortocircuito
los electrodos, prácticamente no recuperamos sólo, del calor.
Sistemas cerrados en regímenes estacionarios: la producción de entropía por unidad
de tiempo está directamente relacionada con el flujo de entropía por transferencia de calor en la frontera del sistema. Muchos dispositivos prácticos satisfacen este modelo simple, por ejemplo Maquina frigorífica accionada por calor, transmisión mecánica, resistencia
eléctrica.
Producción de entropía en dispositivos cíclicos simples: Se da en el estudio de la
magnitud de las irreversibilidades en los procesos de transferencia de calor y en el interior de los propios dispositivos cíclicos durante el funcionamiento real basándose en la producción de entropía. Ejemplo un motor térmico irreversible con trasferencia de calor irreversible desde dos fuentes térmicas. Este ejemplo nos ilustra las perdidas relativas debidas a las irreversibilidades en función exclusivamente de la entropía
