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    Segunda ley de la termodinámica: definición, ecuación y ejemplos

    Un castillo de arena en la playa se desmorona lentamente a medida que avanza el día. Pero alguien que sea testigo de lo contrario, la arena saltando espontáneamente en la forma de un castillo, diría que deben estar viendo una grabación, no la realidad. Del mismo modo, un vaso de té helado en el que los cubos se derriten con el tiempo coincide con nuestras expectativas, pero no un vaso de líquido en el que se forman espontáneamente los cubitos de hielo.

    La razón por la que algunos procesos naturales parecen tener sentido en adelante. el tiempo pero no al revés en el tiempo tiene que ver con la segunda ley de la termodinámica. Esta importante ley es la única descripción física del universo que depende del tiempo que tenga una dirección particular, en la que solo podamos avanzar.

    En contraste, las leyes de Newton o las ecuaciones cinemáticas, ambas utilizadas para describir el movimiento de objetos, funciona igualmente bien si un físico decide analizar el arco de una pelota de fútbol a medida que avanza o retrocede. Esta es la razón por la cual la segunda ley de la termodinámica a veces también se conoce como "la flecha del tiempo".
    Microstates and Macrostates

    La mecánica estadística es la rama de la física que relaciona el comportamiento a escala microscópica, como el movimiento de las moléculas de aire en una habitación cerrada, a observaciones macroscópicas posteriores, como la temperatura general de la habitación. En otras palabras, conectar lo que un humano podría observar directamente con la miríada de procesos espontáneos invisibles que juntos lo hacen posible.

    Un microestado es un posible arreglo y distribución de energía de todas las moléculas en un sistema termodinámico cerrado. Por ejemplo, un microestado podría describir la ubicación y la energía cinética de cada molécula de azúcar y agua dentro de un termo de chocolate caliente.

    Un macroestado, por otro lado, es el conjunto de todos los posibles microestados de un sistema: todas las formas posibles en que se pueden organizar las moléculas de azúcar y agua dentro del termo. La forma en que un físico describe un macroestado es mediante el uso de variables como la temperatura, la presión y el volumen.

    Esto es necesario porque el número de posibles microestados en un macroestado dado es demasiado grande para tratarlo. Una habitación a 30 grados centígrados es una medida útil, aunque saber que es 30 grados no revela las propiedades específicas de cada molécula de aire en la habitación.

    Aunque los macroestados se usan generalmente cuando se habla de termodinámica, la comprensión de los microestados es relevantes ya que describen los mecanismos físicos subyacentes que conducen a esas mediciones más grandes.
    ¿Qué es la entropía?

    La entropía a menudo se describe en palabras como una medida de la cantidad de trastorno en un sistema. Esta definición fue propuesta por primera vez por Ludwig Boltzmann en 1877.

    En términos de termodinámica, se puede definir más específicamente como la cantidad de energía térmica en un sistema cerrado que no está disponible para realizar un trabajo útil.

    La transformación de la energía útil en energía térmica es un proceso irreversible. Debido a esto, se deduce que la cantidad total de entropía en un sistema cerrado, incluido el universo en su conjunto, solo puede aumentar
    .

    Este concepto explica cómo la entropía se relaciona con la dirección que el tiempo fluye Si los físicos pudieran tomar varias instantáneas de un sistema cerrado con los datos sobre cuánta entropía había en cada uno, podrían ponerlos en orden de tiempo siguiendo "la flecha del tiempo", pasando de menos a más entropía.

    Para ser mucho más técnico, matemáticamente, la entropía de un sistema se define mediante la siguiente fórmula, que también se le ocurrió a Boltzmann:

    S \u003d k × ln (Y)

    donde Y
    es la cantidad de microestados en el sistema (la cantidad de formas en que se puede ordenar el sistema), k
    es la constante de Boltzmann (que se encuentra dividiendo la constante de gas ideal por la constante de Avogadro: 1.380649 × 10 −23 J /K) y ln
    es el logaritmo natural (un logaritmo a la base e
    ).

    La conclusión principal de esto La fórmula es mostrar que, a medida que aumenta el número de microestados, o formas de ordenar un sistema, también lo hace su entropía.

    El cambio en la entropía de un sistema a medida que se mueve de un macroestado a otro puede describirse en términos de la macrosta las variables calor y tiempo:
    \\ Delta S \u003d \\ int \\ dfrac {dQ} {T}

    donde T
    es temperatura y Q
    es la transferencia de calor en un proceso reversible a medida que el sistema se mueve entre dos estados.
    La segunda ley de la termodinámica

    La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía total del universo o un sistema aislado nunca disminuye. En termodinámica, un sistema aislado es aquel en el que ni el calor ni la materia pueden entrar o salir de los límites del sistema. En otras palabras, en cualquier sistema aislado (incluido el universo), el cambio de entropía siempre es cero o positivo. Lo que esto significa esencialmente es que los procesos termodinámicos aleatorios tienden a generar más desorden que orden.

    Un énfasis importante recae en que tienden a formar parte de esa descripción. Los procesos aleatorios podrían conducir a más orden que desorden sin violar las leyes naturales; es mucho menos probable que suceda.

    Por ejemplo, de todos los microestados en los que un mazo de cartas aleatoriamente podría terminar - 8.066 × 10 67 - solo una de esas opciones es igual a El orden que tenían en el paquete original. podría pasar, pero las probabilidades son muy, muy pequeñas. En general, todo tiende naturalmente al desorden.
    El significado de la segunda ley de la termodinámica

    La entropía puede considerarse como una medida del desorden o la aleatoriedad de un sistema. La segunda ley de la termodinámica establece que siempre permanece igual o aumenta, pero nunca disminuye. Este es un resultado directo de la mecánica estadística, ya que la descripción no depende del caso extremadamente raro en el que un mazo de cartas se baraja en orden perfecto, sino de la tendencia general de un sistema a aumentar el desorden.

    Uno simplificado Una forma de pensar acerca de este concepto es considerar que quitar la mezcla de dos conjuntos de objetos requiere más tiempo y esfuerzo que mezclarlos en primer lugar. Pídale a cualquier padre de un niño pequeño que verifique; ¡es más fácil hacer un gran desastre que limpiarlo!

    Muchas otras observaciones en el mundo real "tienen sentido" para que sucedan de una manera pero no de otra porque siguen la segunda ley de la termodinámica:

  • El calor fluye de los objetos a temperaturas más altas a los objetos a temperaturas más bajas y no al revés (los cubitos de hielo se derriten y el café caliente que queda en la mesa se enfría gradualmente hasta que alcanza la temperatura ambiente).
  • Los edificios abandonados se desmoronan lentamente y no se reconstruyen.
  • Una bola que rueda por el patio de recreo se ralentiza y finalmente se detiene, ya que la fricción transforma su energía cinética en energía térmica inutilizable.


    La segunda ley de la termodinámica es solo otra forma de describir formalmente el concepto de la flecha del tiempo: avanzando en el tiempo, el cambio de entropía del universo no puede ser negativo.
    ¿Qué pasa con los sistemas no aislados?

    Si el orden solo aumenta, ¿por qué mirar alrededor del mundo parece revelar plen? ¿Ejemplos de situaciones ordenadas?

    Mientras que la entropía en general
    siempre está aumentando, las reducciones locales
    en la entropía son posibles dentro de los bolsillos de sistemas más grandes. Por ejemplo, el cuerpo humano es un sistema muy organizado y ordenado; incluso convierte una sopa desordenada en huesos exquisitos y otras estructuras complejas. Sin embargo, para hacer eso, el cuerpo absorbe energía y genera desechos a medida que interactúa con su entorno. Entonces, aunque la persona que hace todo esto podría experimentar menos entropía dentro de su cuerpo al final de un ciclo de comer /construir partes del cuerpo /excretar desechos, la entropía total del sistema
    - el cuerpo más todo lo que lo rodea - todavía aumenta
    .

    Del mismo modo, un niño motivado podría limpiar su habitación, pero convirtió la energía en calor durante el proceso (piense en su propio sudor y el calor generado por la fricción). "between objects being moved around).", 3, [[Probablemente también tiraron mucha basura caótica, posiblemente rompiendo pedazos en el proceso. Una vez más, la entropía aumenta en general en el código postal, incluso si esa habitación termina spic y span.
    Heat Death of the Universe

    A gran escala, la segunda ley de la termodinámica predice el eventual calor muerte
    del universo. No debe confundirse con un universo que muere en una agonía ardiente, la frase se refiere más precisamente a la idea de que eventualmente toda la energía útil se convertirá en energía térmica o calor, ya que el proceso irreversible está sucediendo casi en todas partes todo el tiempo. Además, todo este calor eventualmente alcanzará una temperatura estable o equilibrio térmico, ya que no le sucederá nada más.

    Un error común sobre la muerte por calor del universo es que representa un momento en que hay no queda energía en el universo. ¡Este no es el caso! Más bien, describe un momento en que toda la energía útil se ha transformado en energía térmica que ha alcanzado la misma temperatura, como una piscina llena de agua mitad caliente y mitad fría, y luego se deja afuera toda la tarde.
    Otras leyes de Termodinámica

    La segunda ley puede ser la más popular (o al menos la más enfatizada) en termodinámica introductoria, pero como su nombre lo indica, no es la única. Los otros se discuten con más detalle en otros artículos en el sitio, pero aquí hay un breve resumen de ellos:

    La ley cero de la termodinámica. Llamada así porque subyace a las otras leyes de la termodinámica, la ley cero describe esencialmente qué es la temperatura. Establece que cuando dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, necesariamente también deben estar en equilibrio térmico entre sí. En otras palabras, los tres sistemas deben tener la misma temperatura. James Clerk Maxwell describió un resultado principal de esta ley como "Todo el calor es del mismo tipo".

    La primera ley de la termodinámica. Esta ley aplica la conservación de la energía a la termodinámica. Establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la diferencia entre el calor agregado al sistema y el trabajo realizado por el sistema:

    ΔU \u003d Q - W

    Donde < em> U
    es energía, Q
    es calor y W
    es trabajo, todo típicamente medido en julios (aunque a veces en Btus o calorías).

    El Tercera ley de la termodinámica. Esta ley define cero absoluto
    en términos de entropía. Establece que un cristal perfecto tiene cero entropía cuando su temperatura es cero absoluto, o 0 Kelvins. El cristal debe estar perfectamente organizado o de lo contrario tendría algún desorden inherente (entropía) en su estructura. A esta temperatura, las moléculas en el cristal no tienen movimiento (lo que también se consideraría energía térmica o entropía).

    Tenga en cuenta que cuando el universo alcanza su estado final de equilibrio térmico, su muerte por calor, lo hará. ha alcanzado una temperatura más alta que el cero absoluto.

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