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La termodinámica y el concepto de Entropía



    Definición de algunos conceptos

    La termodinámica, por definirla de una manera
    muy simple, fija su atención en el interior de los
    sistemas físicos, en los intercambios de
    energía en forma de calor que se
    llevan a cabo entre un sistema y otro. A
    las magnitudes macroscópicas que se relacionan con
    el estado
    interno de un sistema se les
    llama coordenadas termodinámicas; éstas nos
    van a ayudar a determinar la energía interna del sistema. En
    resumen, el fin último de la termodinámica es encontrar entre las
    coordenadas termodinámicas relaciones generales coherentes
    con los principios
    básicos de la física
    (recuérdese el principio de la conservación de la
    energía que tratamos en el número 3 de "Horizonte
    Social).

    La termodinámica basa sus análisis en algunas leyes: La
    Ley
    "cero", referente al concepto de
    temperatura,
    la Primera Ley de la
    termodinámica, que nos habla de el
    principio de conservación de la energía, la Segunda
    Ley de la
    termodinámica, que nos define a la entropía. A
    continuación vamos a hablar de cada una de estas leyes, haciendo
    hincapié en la segunda ley y el concepto de
    entropía.

    La Ley
    cero

    La Ley cero de la termodinámica nos dice que si
    tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura
    uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo
    determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura,
    es decir, tendrán ambos la misma temperatura.
    Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto
    con A y B, también alcanzará la misma temperatura y,
    por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura
    mientras estén en contacto.

    De este principio podemos inducir el de
    temperatura, la cual es una condición que cada
    cuerpo tiene y que el hombre ha
    aprendido a medir mediante sistemas
    arbitrarios y escalas de referencia (escalas
    termométricas).

    La Primera Ley

    La Primera ley de la termodinámica se refiere al
    concepto de
    energía interna, trabajo y calor. Nos
    dice que si sobre un sistema con una
    determinada energía interna, se realiza un trabajo
    mediante un proceso, la
    energía interna del sistema
    variará. A la diferencia de la energía interna del
    sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El
    calor es la
    energía transferida al sistema por medios no
    mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente
    metálico con agua; podemos
    elevar la temperatura del agua por
    fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un
    mechero; en el primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el
    sistema y en el segundo le transmitimos calor.

    Cabe aclarar que la energía interna de un
    sistema, el trabajo y
    el calor no son
    más que diferentes manifestaciones de energía. Es
    por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino
    que, durante un proceso
    solamente se transforma en sus diversas
    manifestaciones.

    La Segunda Ley

    Por último, vamos a ver el contenido de la
    segunda ley de la termodinámica. En términos
    más o menos sencillos diría lo siguiente: "No
    existe un proceso cuyo único resultado sea la
    absorción de calor de una fuente y la conversión
    íntegra de este calor en trabajo"
    . Este principio
    (Principio de Kelvin-Planck) nació del estudio del
    rendimiento de máquinas y mejoramiento tecnológico
    de las mismas. Si este principio no fuera cierto, se
    podría hacer funcionar

    una central térmica tomando el calor del medio
    ambiente; aparentemente no habría ninguna
    contradicción, pues el medio ambiente
    contiene una cierta cantidad de energía interna, pero
    debemos señalar dos cosas: primero, la segunda ley de la
    termodinámica no es una consecuencia de la primera, sino
    una ley independiente; segundo, la segunda ley nos habla de las
    restricciones que existen al utilizar la energía en
    diferentes procesos, en
    nuestro caso, en una central térmica. No existe una
    máquina que utilice energía interna de una sola
    fuente de calor.

    El concepto de
    entropía fue introducido por primera vez por R. J.
    Clausius a mediados del siglo XIX. Clausius, ingeniero
    francés, también formuló un principio para
    la Segunda ley: "No es posible proceso alguno
    cuyo único resultado sea la transferencia de calor desde
    un cuerpo frío a otro más caliente".
    En base a
    este principio, Clausius introdujo el concepto de
    entropía, la cual es una medición de la cantidad de
    restricciones que existen para que un proceso se
    lleve a cabo y nos determina también la dirección de dicho proceso. Vamos
    ahora a hablar de las tres acepciones más importantes de
    la palabra entropía.

    La entropía, el desorden y el grado de
    organización.

    Vamos a imaginar que tenemos una caja con tres
    divisiones; dentro de la caja y en cada división se
    encuentran tres tipos diferentes de canicas: azules, amarillas y
    rojas, respectivamente. Las divisiones son movibles así
    que me decido a quitar la primera de ellas, la que separa a las
    canicas azules de las amarillas. Lo que estoy haciendo dentro del
    punto de vista de la entropía es quitar un grado o
    índice de restricción a mi sistema; antes de que yo
    quitara la primera división, las canicas se encontraban
    separadas y ordenadas en colores: en la
    primera división las azules, en la segunda las amarillas y
    en la tercera las rojas, estaban restringidas a un cierto
    orden.

    Al quitar la segunda división, estoy quitando
    también otro grado de restricción. Las canicas se
    han mezclados unas con otras de tal manera que ahora no las puedo
    tener ordenas pues las barreras que les restringían han
    sido quitadas.

    La entropía de este sistema ha aumentado al ir
    quitando las restricciones pues inicialmente había un
    orden establecido y al final del proceso (el proceso es en este
    caso el quitar las divisiones de la caja) no existe orden alguno
    dentro de la caja.

    La entropía es en este caso una medida del orden
    (o desorden) de un sistema o de la falta de grados de
    restricción; la manera de utilizarla es medirla en nuestro
    sistema inicial, es decir, antes de remover alguna
    restricción, y volverla a medir al final del proceso que
    sufrió el sistema.

    Es importante señalar que la entropía no
    está definida como una cantidad absoluta S (símbolo
    de la entropía), sino lo que se puede medir es la
    diferencia entre la entropía inicial de un sistema Si y la
    entropía final del mismo Sf. No tiene sentido hablar de
    entropía sino en términos de un cambio en las
    condiciones de un sistema.

    Entropia, procesos
    reversibles y procesos
    irreversibles.

    Volviendo al ejemplo anterior de la caja con
    separaciones y canicas, vamos a explicar qué es un proceso
    reversible y qué un proceso no reversible.

    Llamamos proceso reversible al que se puede invertir y
    dejar a nuestro sistema en las mismas condiciones iniciales.
    Teniendo en cuenta

    nuestra caja ya sin las separaciones, tenemos a las
    canicas revueltas unas con otras, es decir, sin un orden. Si el
    proceso que efectuamos de quitar las divisiones fuera reversible,
    las canicas tendrían que ordenarse espontáneamente
    en azules, amarillas y rojas, según el orden de las
    divisiones. Esto no ocurrirá.

    El proceso que efectuamos con nuestra caja de canicas
    fue un proceso no reversible, en donde una vez terminado, el
    orden que había en las condiciones iniciales del sistema
    ya nunca volverá a establecerse. El estudio de este tipo
    de procesos es
    importante porque en la naturaleza todos
    los procesos son
    irreversibles.

    La entropía y la energía
    "gastada".

    En el principio enunciado por Clausius que anteriormente
    citamos, podemos encontrar la relación con la
    entropía y la energía liberada en un proceso.
    Pensemos en un motor. El
    motor necesita
    de una fuente de energía para poder
    convertirla en trabajo. Si pensamos en un coche, la gasolina,
    junto con el sistema de chispa del motor,
    proporciona la energía (química) de combustión, capaz de hacer que el auto se
    mueva. ¿qué tiene que ver la entropía
    aquí?

    La energía que el coche "utilizó" para
    realizar trabajo y moverse, se "gastó", es decir, es
    energía liberada mediante un proceso químico que ya
    no es utilizable para que un motor produzca
    trabajo.

    Este es uno de los conceptos más difíciles
    de entender de la entropía, pues requiere un conocimiento
    un poco menos trivial del funcionamiento de motores,
    frigoríficos y el ciclo de Carnot. Pero para
    nuestros fines con esta explicación es
    suficiente.

    ¿Para qué sirve la
    entropía?

    La entropía, como medida del grado de
    restricción o como medida del desorden de un sistema, o
    bien en ingeniería, como concepto auxiliar en los
    problemas del
    rendimiento energético de las máquinas, es una de
    las variables
    termodinámicas más importantes. Su relación
    con la teoría
    del caos le abre un nuevo campo de estudio e investigación a este tan "manoseado"
    concepto.

     

     

     

    Autor:

    Sandra Bustamante
    Martínez

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