¿Cómo se genera la energía, cómo se convierte de una forma a otra y qué sucede con la energía en un sistema cerrado? Todas estas preguntas pueden ser respondidas por las leyes de la termodinámica. La segunda ley de la termodinámica se discutirá con más detalle hoy.
Leyes en la vida cotidiana
Las leyes gobiernan la vida diaria. Las leyes viales dicen que debe detenerse en las señales de alto. El gobierno exige dar parte de su salario al estado y al gobierno federal. Incluso los científicos son aplicables a la vida cotidiana. Por ejemplo, la ley de la gravedad predice un resultado bastante pobre para aquellos que intentan volar. Otro conjunto de leyes científicas que afectan la vida cotidiana son las leyes de la termodinámica. Aquí hay algunos ejemplos para ver cómo afectan la vida diaria.
La primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye, pero se puede transformar de una forma a otra. Esto también se conoce a veces como la ley de conservación de la energía. Entonces, cómo es esose aplica a la vida cotidiana? Bueno, tome, por ejemplo, la computadora que está usando ahora. Se alimenta de energía, pero ¿de dónde viene esta energía? La primera ley de la termodinámica nos dice que esta energía no puede provenir del aire, por lo que vino de alguna parte.
Puedes rastrear esta energía. La computadora funciona con electricidad, pero ¿de dónde viene la electricidad? Así es, de una central eléctrica o central hidroeléctrica. Si consideramos el segundo, entonces estará asociado con una presa que retiene el río. El río tiene una conexión con la energía cinética, lo que significa que el río está fluyendo. La presa convierte esta energía cinética en energía potencial.
¿Cómo funciona una central hidroeléctrica? El agua se utiliza para hacer girar la turbina. Cuando la turbina gira, se pone en marcha un generador que generará electricidad. Esta electricidad se puede ejecutar completamente en cables desde la planta de energía hasta su hogar, de modo que cuando conecte el cable de alimentación a un tomacorriente, la electricidad ingrese a su computadora para que pueda funcionar.
¿Qué pasó aquí? Ya había una cierta cantidad de energía asociada con el agua del río como energía cinética. Luego se convirtió en energía potencial. Luego, la represa tomó esa energía potencial y la convirtió en electricidad, que luego podría ingresar a su hogar y alimentar su computadora.
La segunda ley de la termodinámica
Al estudiar esta ley, uno puede entender cómo funciona la energía y por qué todo se mueve haciaposible caos y desorden. La segunda ley de la termodinámica también se llama la ley de la entropía. ¿Alguna vez te has preguntado cómo surgió el universo? Según la teoría del Big Bang, antes de que todo naciera, se reunió una gran cantidad de energía. El Universo apareció después del Big Bang. Todo esto es bueno, pero ¿qué tipo de energía era? Al principio de los tiempos, toda la energía del universo estaba contenida en un lugar relativamente pequeño. Esta intensa concentración representaba una enorme cantidad de lo que se llama energía potencial. Con el tiempo, se extendió por la vasta extensión de nuestro universo.
En una escala mucho menor, el depósito de agua retenido por la represa contiene energía potencial, ya que su ubicación le permite fluir a través de la represa. En cada caso, la energía almacenada, una vez liberada, se esparce y lo hace sin ningún esfuerzo. En otras palabras, la liberación de energía potencial es un proceso espontáneo que ocurre sin necesidad de recursos adicionales. A medida que se distribuye la energía, parte de ella se convierte en energía útil y realiza algún trabajo. El resto se convierte en inutilizable, simplemente llamado calor.
A medida que el universo continúa expandiéndose, contiene cada vez menos energía utilizable. Si hay menos útiles disponibles, se puede hacer menos trabajo. Dado que el agua fluye a través de la presa, también contiene menos energía útil. Esta disminución de la energía utilizable a lo largo del tiempo se denomina entropía, donde la entropía esla cantidad de energía no utilizada en el sistema, y el sistema es solo una colección de objetos que forman el todo.
La entropía también puede denominarse la cantidad de aleatoriedad o caos en una organización sin organización. A medida que la energía utilizable disminuye con el tiempo, aumenta la desorganización y el caos. Así, a medida que se libera la energía potencial acumulada, no toda esta se convierte en energía útil. Todos los sistemas experimentan este aumento de entropía con el tiempo. Esto es muy importante de entender y este fenómeno se llama la segunda ley de la termodinámica.
Entropía: casualidad o defecto
Como habrás adivinado, la segunda ley sigue a la primera, comúnmente conocida como la ley de conservación de la energía, y establece que la energía no se puede crear ni destruir. En otras palabras, la cantidad de energía en el universo o cualquier sistema es constante. La segunda ley de la termodinámica se conoce comúnmente como la ley de la entropía y sostiene que a medida que pasa el tiempo, la energía se vuelve menos útil y su calidad disminuye con el tiempo. La entropía es el grado de aleatoriedad o defectos que tiene un sistema. Si el sistema está muy desordenado, entonces tiene una gran entropía. Si hay muchas fallas en el sistema, entonces la entropía es baja.
En términos simples, la segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema no puede disminuir con el tiempo. Esto significa que en la naturaleza las cosas pasan de un estado de orden a un estado de desorden. Y es irreversible. El sistema nuncase volverá más ordenado por sí mismo. En otras palabras, en la naturaleza, la entropía de un sistema siempre aumenta. Una forma de pensar en ello es su hogar. Si nunca lo limpia y aspira, muy pronto tendrá un desastre terrible. ¡La entropía ha aumentado! Para reducirlo, es necesario usar energía para usar una aspiradora y un trapeador para limpiar la superficie del polvo. La casa no se limpia sola.
¿Qué es la segunda ley de la termodinámica? La formulación en palabras simples dice que cuando la energía cambia de una forma a otra, la materia se mueve libremente o aumenta la entropía (desorden) en un sistema cerrado. Las diferencias de temperatura, presión y densidad tienden a nivelarse horizontalmente con el tiempo. Debido a la gravedad, la densidad y la presión no se igualan verticalmente. La densidad y la presión en la parte inferior serán mayores que en la parte superior. La entropía es una medida de la dispersión de la materia y la energía dondequiera que tenga acceso. La formulación más común de la segunda ley de la termodinámica se asocia principalmente con Rudolf Clausius, quien dijo:
Es imposible construir un dispositivo que no produzca otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo con una temperatura más baja a un cuerpo con una temperatura más alta.
En otras palabras, todo trata de mantener la misma temperatura a lo largo del tiempo. Hay muchas formulaciones de la segunda ley de la termodinámica que usan diferentes términos, pero todos significan lo mismo. Otra declaración de Clausius:
El calor en sí mismo no espasando de un cuerpo frío a uno más caliente.
La segunda ley solo se aplica a sistemas grandes. Se refiere al comportamiento probable de un sistema en el que no hay energía ni materia. Cuanto más grande es el sistema, más probable es la segunda ley.
Otra redacción de la ley:
La entropía total siempre aumenta en un proceso espontáneo.
El aumento de entropía ΔS durante el curso del proceso debe exceder o ser igual a la relación entre la cantidad de calor Q transferida al sistema y la temperatura T a la que se transfiere el calor. Fórmula de la segunda ley de la termodinámica:
Sistema termodinámico
En un sentido general, la formulación de la segunda ley de la termodinámica en términos simples establece que las diferencias de temperatura entre sistemas en contacto entre sí tienden a igualarse y que se puede obtener trabajo a partir de estas diferencias de desequilibrio. Pero en este caso, hay una pérdida de energía térmica y aumenta la entropía. Las diferencias de presión, densidad y temperatura en un sistema aislado tienden a igualarse si se les da la oportunidad; la densidad y la presión, pero no la temperatura, dependen de la gravedad. Una máquina térmica es un dispositivo mecánico que proporciona trabajo útil debido a la diferencia de temperatura entre dos cuerpos.
Un sistema termodinámico es aquel que interactúa e intercambia energía con el área que lo rodea. El intercambio y la transferencia deben ocurrir al menos de dos maneras. Una forma debería ser la transferencia de calor. si unel sistema termodinámico "está en equilibrio", no puede cambiar de estado o estado sin interactuar con el medio ambiente. En pocas palabras, si está en equilibrio, es un "sistema feliz", no hay nada que pueda hacer. Si quieres hacer algo, debes interactuar con el mundo exterior.
La segunda ley de la termodinámica: la irreversibilidad de los procesos
Es imposible tener un proceso cíclico (repetitivo) que convierta completamente el calor en trabajo. También es imposible tener un proceso que transfiera calor de objetos fríos a objetos calientes sin usar trabajo. Parte de la energía en una reacción siempre se pierde en forma de calor. Además, el sistema no puede convertir toda su energía en energía de trabajo. La segunda parte de la ley es más obvia.
Un cuerpo frío no puede calentar un cuerpo tibio. El calor tiende naturalmente a fluir de las áreas más cálidas a las más frías. Si el calor va de más frío a más cálido, es contrario a lo que es "natural", por lo que el sistema tiene que trabajar para que esto suceda. La irreversibilidad de los procesos en la naturaleza es la segunda ley de la termodinámica. Esta es quizás la ley más famosa (al menos entre los científicos) e importante de toda la ciencia. Una de sus formulaciones:
La entropía del Universo tiende al máximo.
En otras palabras, la entropía permanece igual o aumenta, la entropía del Universo nunca puede disminuir. El problema es que siempre esderecho. Si toma una botella de perfume y la rocía en una habitación, pronto los átomos fragantes llenarán todo el espacio y este proceso es irreversible.
Relaciones en termodinámica
Las leyes de la termodinámica describen la relación entre la energía térmica o el calor y otras formas de energía, y cómo la energía afecta a la materia. La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye; la cantidad total de energía en el universo permanece sin cambios. La segunda ley de la termodinámica trata sobre la calidad de la energía. Establece que a medida que la energía se transfiere o convierte, se pierde más y más energía utilizable. La segunda ley también establece que existe una tendencia natural en cualquier sistema aislado a volverse más desordenado.
Incluso cuando el orden aumenta en un lugar determinado, cuando se tiene en cuenta todo el sistema, incluido el entorno, siempre hay un aumento de la entropía. En otro ejemplo, se pueden formar cristales a partir de una solución salina cuando se evapora el agua. Los cristales están más ordenados que las moléculas de sal en solución; sin embargo, el agua evaporada está mucho más desordenada que el agua líquida. El proceso tomado en su conjunto da como resultado un aumento neto del desorden.
Trabajo y energía
La segunda ley explica que es imposible convertir la energía térmica en energía mecánica con una eficiencia del 100 por ciento. Se puede dar un ejemplo conen coche Después del proceso de calentamiento del gas para aumentar su presión para impulsar el pistón, siempre queda algo de calor en el gas que no se puede usar para realizar ningún trabajo adicional. Este calor residual debe desecharse transfiriéndolo a un radiador. En el caso de un motor de automóvil, esto se hace extrayendo la mezcla de combustible gastado y aire a la atmósfera.
Además, cualquier dispositivo con partes móviles crea fricción que convierte la energía mecánica en calor, que generalmente no se puede utilizar y debe eliminarse del sistema transfiriéndolo a un radiador. Cuando un cuerpo caliente y un cuerpo frío están en contacto entre sí, la energía térmica fluirá del cuerpo caliente al cuerpo frío hasta que alcancen el equilibrio térmico. Sin embargo, el calor nunca volverá por el otro lado; la diferencia de temperatura entre dos cuerpos nunca aumentará espontáneamente. Mover el calor de un cuerpo frío a un cuerpo caliente requiere que una fuente de energía externa, como una bomba de calor, realice trabajo.
El Destino del Universo
La segunda ley también predice el fin del universo. Este es el último nivel de desorden, si hay un equilibrio térmico constante en todas partes, no se puede realizar ningún trabajo y toda la energía terminará como el movimiento aleatorio de átomos y moléculas. Según los datos modernos, la Metagalaxia es un sistema no estacionario en expansión, y no se puede hablar de la muerte térmica del Universo. calor muertees un estado de equilibrio térmico en el que se detienen todos los procesos.
Esta posición es errónea, ya que la segunda ley de la termodinámica se aplica solo a sistemas cerrados. Y el universo, como saben, es ilimitado. Sin embargo, el mismo término "muerte térmica del Universo" a veces se usa para referirse a un escenario para el desarrollo futuro del Universo, según el cual continuará expandiéndose hasta el infinito en la oscuridad del espacio hasta convertirse en polvo frío disperso..
