Introducción
Cuando hablamos de energía, una de las primeras cosas que acuden a nuestra mente es el uso que hacemos de ella de manera indiscriminada, desde la revolución Industrial hasta casi inicios del siglo XXl. Utilizar de manera inadecuada la energía ha provocado que se rompa el delicado equilibrio ecológico con las consecuencias que empezamos a vivir, como el calentamiento global del planeta, con el inicio del derretimiento de los polos y por ende los catástrofes que se originan por tormentas, inundaciones, sequias, contaminación ambiental, entre otras. El consumo de combustibles fósiles para la obtención y uso de energía en el transporte y la industria han sido las fuentes primarias que producen los efectos irreversibles que estamos viviendo en estos momentos.
Todas las personas nos hemos dado cuenta de que al frotarnos las manos vigorosamente ocurre un incremento de temperatura, cuando dejamos de frotarnos, nuestras manos vuelven a su estado original. De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, la energía mecánica se ha transformado en calor con una eficiencia de 100%.
Consideremos ahora el proceso inverso, y nos preguntamos: ¿Es posible convertir la energía térmica en trabajo con una eficiencia de 100%? En el ejemplo anterior: ¿Es posible capturar todo el calor transferido al aire y hacerlo volver a nuestras manos, provocando que ellas de froten indefinidamente en forma espontánea? Por desgracia, tal proceso no puede ocurrir, aun cuando no infrinja la primera ley. Tampoco es posible recuperar todo el calor perdido para frenar un automóvil con el propósito de que las ruedas empiecen a girar de nuevo. Por estos motivos la segunda ley de la termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor, y a la eficiencia posible de los motores térmicos. De este modo, va más allá de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinámica.
Desarrollo
La segunda ley de la termodinámica es una de las tres leyes de la termodinámica. El término "termodinámica" viene de dos palabras raíces: "termo", que significa calor, y "dinámica", que significa poder. Por esto, las leyes de la termodinámica son las leyes del "poder del calor". Hasta donde sabemos, estas leyes son absolutas. Todas las cosas en el universo observable son afectadas y obedecen a las leyes de la termodinámica. Esta ley es comúnmente conocida como la ley de la entropía en Aumento. Mientras que la cantidad permanece igual, la calidad de la materia/energía se deteriora gradualmente con el tiempo. ¿Por qué? La energía utilizable es inevitablemente utilizada para la productividad, crecimiento y reparaciones. En el proceso, la energía utilizable es convertida en energía inutilizable. Por esto, la energía utilizable es irrecuperablemente perdida en forma de energía inutilizable.
Como ya lo mencione, al realizar un trabajo mecánico ocasiona una elevación de temperatura, por lo que la energía mecánica se ha transformado en calor con una eficiencia de 100%, pero es imposible que la energía calorífica se transforme en energía mecánica con una eficiencia de 100%. Esta regla constituye el fundamento de la segunda ley de la termodinámica. La cual dice: "es imposible construir una máquina que, funcionando de manera continua, no produzca otro efecto que la extracción de calor de una fuente y la realización de una cantidad equivalente al trabajo". Este enunciado es tal y como lo menciono el físico inglés, William Thomson Kelvin: "Es imposible construir una maquina térmica que transforme en trabajo todo el calor que se le suministra".
De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, es imposible construir una maquina térmica que transforme en trabajo todo el calor suministrado. Esta limitación de las maquinas térmicas, cuya eficiencia nunca podrá ser del 100%, se debe a que la mayor parte de calor proporcionado en lugar de convertirse en trabajo mecánico se disipa en la atmosfera, ya sea por el calor que arrastran los humos y gases residuales calientes o por el calor perdido a través de la radiación y la fricción entre sus partes móviles. En realidad, la eficiencia de las maquinas térmicas es bastante baja, pues en las máquinas de vapor va de un 20% a un 35% máximo. Por definición: la eficiencia o rendimiento de una maquina térmica es la relación entre el trabajo mecánico producido y la cantidad de calor que se le suministra. Matemáticamente se expresa:
Como el trabajo neto por la maquina es igual a la diferencia de calor que se le suministra (Q1) y el calor que no puede aprovecharse porque se disipa en la atmosfera (Q2):
Por lo tanto la eficiencia de una maquina térmica se expresa:
También se puede calcular la eficiencia de una maquina al dividir la potencia útil o de salida de la maquina entre la potencia total o de entrada de la misma, es decir:
Conclusión
La segunda ley tiene aplicaciones importantes en el diseño de máquinas térmicas empeladas en la transformación de calor en trabajo. También es útil para interpretar el origen del Universo, pues explica los cambios energéticos que ha tenido y tendrá en un futuro. Predice que dentro de billones de años se producirá la llamada "muerte térmica del Universo", la cual ocurrirá cuando toda la energía del universo sea la de las moléculas en movimiento y toda la materia tenga la misma temperatura. Al no existir diferencia de temperatura, tampoco se producirá intercambio de calor entre los cuerpos y los seres vivos se extinguirán.
Las implicaciones de la Segunda ley de la termodinámica son considerables. El universo está perdiendo constantemente energía utilizable y nunca ganándola. Concluimos lógicamente que el Universo no es eterno. El universo tuvo un comienzo finito… el momento en que tuvo una "entropía cero" (su estado más ordenado posible).
Referencias
Paul E. Tippens. Física, Conceptos y Aplicaciones. Séptima Edición. McGraw-Gill, 2011. 978-607-15-0471-5.
Héctor Pérez Montiel. Física General. Cuarta edición. Patria, 2010. 978-607-438-184-9.