Cuarta ley de la termodina mica

Resumen. En su reciente artculo titulado "Una cuarta ley de la termodinmica" Morel y Fleck

proponen lo que dicen es una ley universal indicado simplemente pero potente nueva que da

cuenta de la produccin en todas partes del orden del desorden que caracteriza el mundo visible y

por lo tanto, y de otras maneras, se expande significativamente el dominio de la termodinmica. Si

bien estamos de acuerdo con su caracterizacin de la ley como la cuarta ley de la termodinmica,

y que se expande significativamente la termodinmica, y que es de alcance universal la aplicacin

de cerca y lejos del equilibrio de todos los rangos y escalas, y que sirve de base para espontnea

transformaciones del desorden al orden, el error que cometen es que la ley no es una ley nueva.

Se propuso y demostr por mis colegas y yo como "La ley de la mxima entropa Produccin"

(LMEP o previamente MEP) hace ms de dos dcadas y, posteriormente, en numerosos artculos

desde. Este error en su trabajo, sin embargo, no disminuye en absoluto lo que dicen es la validez o

importancia de la ley. Se discute adems la ley con algunos antecedentes y un contexto adicional.

Segunda ley de la termodina mica: ley de la entrop a

Te has preguntado alguna vez cmo el universo lleg a existir? La teora del Big Bang nos dice que

el universo comenz como una cantidad infinita de energa explot y comenz a extenderse hacia

el universo tal como lo conocemos hoy en da. Muy bien, eso es genial, pero qu es la energa? La

energa es simplemente la capacidad de hacer el trabajo, y el trabajo es el movimiento de algo por

alguna fuerza.

Al principio de los tiempos, toda la energa en el universo estaba contenida en un solo lugar

relativamente pequeo. Esta intensa concentracin de energa representa una gran cantidad de lo

que llamamos energa potencial, donde la energa potencial es energa almacenada debido a su

ubicacin o posicin, y ahora es igual a la cantidad total de energa en el universo actual.

Conforme pasa el tiempo, la energa se ha extendido por la vasta extensin de nuestro universo.

En una escala mucho ms pequea, un depsito de agua retenida por una presa contiene energa

potencial, ya que su ubicacin le da la posibilidad de fluir sobre la presa. En cada caso, la energa

almacenada, una vez liberado, se extiende y lo hace sin ningn esfuerzo o fuerza aplicada. En otras

palabras, la liberacin de energa potencial es un proceso espontneo. Un proceso espontneo es

simplemente un proceso que se produce sin la necesidad de energa adicional. Otra forma de

poner esto es que ocurre de forma automtica una vez que usted le da un poco de una patada. A

medida que la energa se expande, parte de ella se convierte en energa utilizable y obtiene el

trabajo realizado que necesitamos. El resto de la energa se convierte en energa utilizable,

simplemente referido como calor.

A medida que nuestro universo contina expandindose hacia fuera, que contiene cada vez menos

til de energa. Como la energa de menor utilidad est disponible, menos trabajo pueden llevarse

a cabo. Cuando el agua fluye sobre una presa, que contiene menos energa til tambin. Esta

disminucin en la energa til con el tiempo se conoce como entropa, donde la entropa es la

cantidad de energa utilizable en un sistema, y un sistema es simplemente una coleccin de

objetos que forman un todo.

La entropa tambin puede ser referido como la cantidad de aleatoriedad o caos en un sistema -

menos organizacin. Como energa utilizable disminuye con el tiempo, desorganizacin y aumento

caos. Por lo tanto, como se libera energa potencial almacenada, no todo se convierte en energa

utilizable. Todos los sistemas experimentan este aumento de entropa en el tiempo. Esto es muy

importante de entender, y este fenmeno se conoce como la segunda ley de la termodinmica.

Como habrs adivinado, la segunda ley de la termodinmica sigue a la primera ley de la

termodinmica, que se conoce comnmente como la ley de la conservacin de la energa, y que

establece que la energa no puede ser creada y no puede ser destruido. En otras palabras, la

cantidad de energa en el universo, o cualquier sistema, es constante. La segunda ley de la

termodinmica se conoce comnmente como la ley de la entropa, y sostiene que la energa se

vuelve menos utilizable en el tiempo. Por lo tanto, mientras que la cantidad, basada en la primera

ley, de la energa sigue siendo el mismo, la calidad de la energa disminuye con el tiempo, basado

en la segunda ley.

Un Recorrido por la Segunda Ley de la Termodina mica

El Segundo Principio de la Termodinmica enunciado por primera vez por Rudolf Emmanuel

Clausius en 1850 evoluciona desde la perspectiva de la Mecnica Clsica de Newton (Siglo XVII)

donde se asociaba la Entropa con la irreversibilidad hacia la muerte trmica del sistema

hasta la llamada Fsica Moderna iniciada por los descubrimientos de Max Planck, Albert Einstein

seguida por Norbert Wiener y ms recientemente por Ilya Prigogine y Stephen Hawking, entre

otros.

Dicha transicin epistmica condujo a nuevos razonamientos, tantos cientficos como filosficos y

advirtindose en ellos, un enfoque dinmico, totalizante e integrador en contraposicin al

pensamiento esttico, rgido y absoluto, caracterstico de la Fsica Clsica. Dicha transformacin

supuso una re-definicin de la Entropa Fsica Clsica, concebida como la evolucin irreversible

hacia un estado de degradacin o muerte del sistema denominado equilibrio termodinmico. A

partir de esta re-definicin conceptual, proponemos entonces las siguientes consideraciones en

cuanto a la Entropa se refiere, apoyadas por supuesto dentro de la concepcin sistmica. La

misma comprende dos aspectos fundamentales:

1. La evolucin del sistema hacia estructuras ms complejas, refuta la idea clsica de la

degradacin, y apoya al mismo tiempo la existencia de procesos irreversibles como creadores de

estructuras ms complejas.

2. La existencia de un estado de No-Equilibrio expresado por Ilya Prigogine como el Desorden

Creador en donde conviven fenmenos de orden y de desorden. Observamos segn esto, como

la idea de irreversibilidad asociado al Desorden Creador, es parte de la historia misma. Nos

podramos preguntar y sobre qu trata la historia del hombre? Acaso, no son los cambios y

transformaciones en la forma de concebir y representar el mundo, parte del estudio histrico?

Sirvan estas dos cuestiones, solamente para delinear las perspectivas del oficio de historiar, bajo

estas premisas.

La segunda ley de la Termodina mica

El nacimiento de la segunda ley de la termodinmica, se remonta a James Watt (1736- 1819)

cuando obtiene la patente de las modificaciones que le hizo a la mquina de vapor construida por

Newcomen en 1769. As la revolucionaria generacin de movimiento a partir del calor pronto paso

de Inglaterra a Europa. Durante la rpida industrializacin vivi Nicols Sadi-Carnot (1796-1832)

quin escribi en sus memorias cualquiera sabe que el calor produce movimiento, como se

observa en la mquina de vapor.(Mendoza, 1977). Carnot consider como un principio

fundamental que gobierna el trabajo de la mquina de vapor y lo identifica el flujo de calor como

el proceso fundamental requerido para la generacin de la potencia motriz es decir el trabajo

en el sentido actual. Analiz que la cantidad de trabajo generado por las mquinas trmicas,

mquinas que realizan el trabajo mecnico a travs del flujo de calor, y se dio cuenta de que debe

haber un lmite fundamental para el trabajo que se puede obtener a partir del flujo de una

cantidad dada de calor. Carnot tuvo el gran acierto de proponer que tal lmite es independiente de

la mquina y la manera en que se obtuvo el trabajo; que depende slo de las temperaturas que

causaron el flujo de calor, como qued escrito en su nica publicacin, Reflexiones sobre la

fuerza motriz del fuego y sobre las mquinas diseadas para desarrollar Potencia en 1824. Un

mayor desarrollo de este principio llev a la segunda ley de la termodinmica, realizado por mily

Clayperon (1799-1864) dado que Carnot pas prcticamente desapercibido en la comunidad

cientfica francesa.

El anlisis realizado por Carnot y conocido como el Teorema de Carnot es como sigue: En primer

lugar observa que en una mquina trmica siempre debe existir una diferencia de temperatura

para que se produzca la fuerza motriz, trabajo. Toda mquina trmica es aquella que produce

trabajo a partir del flujo de calor que opera entre dos reservorios de calor de diferente

temperatura. En el proceso de transferencia de calor del reservorio de calor caliente al reservorio

fro, la mquina realiza trabajo mecnico, Figura 1. Carnot especfica que la condicin para la

produccin de mximo trabajo, todos los cambios en volumen -tales como la expansin de un gas

que empuja un pistn- deben ocurrir con los mnimos gradientes de temperatura, as que esos

cambios en temperatura son casi todos debidos a la expansin volumtrica y no debidos al flujo

de calor causado por los gradientes de temperatura.

Figura 1. Ilustracin de la observacin fundamental realizada por Carnot, Siempre debe existir una

diferencia de temperatura para que se produzca la fuerza motriz, trabajo La mquina absorbe calor Q1 del

reservorio caliente, convierte parte de l en trabajo W, y entrega el resto del calor al reservorio fro. La

eficiencia est dada por la razn de proporcin del trabajo generado y el calor Q1 suministrado del

reservorio caliente.

Esto se logra en los motores de calor que absorben y descartan calor durante cambios muy lentos

en volumen, manteniendo su temperatura interna tan uniforme como sea posible. Adems, en el

lmite de una transferencia infinitamente lenta de calor durante los cambios de volumen, con una

diferencia infinitesimal de temperatura entre la fuente de calor y el motor, el funcionamiento de

un motor trmico es un proceso reversible. En un proceso reversible la serie de estados por los

cuales pasa la mquina pueden ser retrados exactamente en sentido opuesto. Una mquina

reversible puede hacer trabajo mecnico, W, transfiriendo calor del reservorio caliente al frio; y

puede hacer exactamente lo opuesto transfiriendo la misma cantidad de calor del reservorio fro al

caliente usando la misma cantidad de trabajo, W. La siguiente idea desarrollada por Carnot, es el

concepto de ciclo: durante su operacin, la mquina trmica pasa a travs de un conjunto de

estados, as que despus de producir trabajo del flujo de calor, sta regresa a su estado inicial, lista

para comenzar el ciclo nuevamente. Carnot argumenta que una mquina cclica reversible debe

producir el trabajo mximo (potencia motriz), porque sospecha que si una mquina produce una

cantidad de trabajo mayor que una producida por una mquina cclica reversible, entonces sera

posible realizar trabajo indefinidamente. Por ejemplo, si una mquina mueve el calor del

reservorio caliente al fro usando la mxima eficiencia, entonces podra regresar la misma

cantidad de calor al reservorio caliente usando una mquina reversible. Si el proceso hace ms

grande el trabajo que en el proceso de mover la cantidad de calor del reservorio fro al caliente se

obtendra una ganancia neta de trabajo en un ciclo, por lo cual acierta en su afirmacin. De aqu,

que las mquinas cclicas reversibles deben producir la mxima cantidad de trabajo. Un corolario a

esta conclusin es que todas las mquinas cclicas reversibles deben producir la misma cantidad de

trabajo sin importar su construccin. Adems, y lo ms importante, todas las maquinas reversibles

producen la misma cantidad de trabajo a partir de la misma cantidad de calor, la cantidad de

trabajo generado por una mquina reversible de calor es independiente de las propiedades del

material de la mquina, y depende nicamente de delas temperaturas de los reservorios cliente y

fro. Carnot no dedujo una expresin matemtica para la mxima eficiencia alcanzada por una

mquina trmica reversible en trminos de las temperaturas de los reservorios en que opera. Pero

las estimaciones de Carnot eran que 1000 unidades de calor que pasan de un cuerpo, que se

mantiene a una temperatura de un grado, a otro que se mantiene a cero grados en la atmosfera

es de aproximadamente 1395 unidades de fuerza motriz, y de hecho Carnot haba entendido el

equivalente mecnico del calor que lo estimo en 3,7 J por calora (la estimacin ms precisa es del

orden de 4,18 J por calora). El agudo pensamiento de Carnot fue recuperado por Clayperon en

1834 en el Journal de lecole Polytechnique, en el cual presento el concepto de mquina reversible

en un diagrama de Presin contra Volumen como se conoce hoy en da.

La eficiencia de una mquina trmica reversible, podemos plantear que de la primera ley de la

termodinmica, figura 1, W= Q1 Q2. Esto significa que una fraccin de calor Q1 absorbido del

reservorio caliente es convertida en trabajo W, por ejemplo = W/Q1. La fraccin es llamada la

eficiencia de la mquina trmica. As, =( Q1 Q2)/ Q1 = (1 Q2/ Q1). Carnot descubre que la

mquina reversible produce la mxima cantidad de trabajo, esta eficiencia es independiente de las

propiedades de la mquina y es solo funcin de las temperaturas de los reservorios:

Donde f(T1, T2) es una funcin de las temperaturas de los reservorios cliente y fro. La anterior

ecuacin resume el Teorema de Carnot, cabe observar que la escala de temperaturas no se

especifica.

La escala Absoluta de Temperatura, el hecho que la eficiencia de una mquina trmica reversibles

independiente de la naturaleza fsica y qumica de la mquina tiene consecuencias importantes

como lo anot Kelvin, William Thompson (1824-1907). Siguiendo el trabajo de Carnot, Kelvin

introdujo la escala absoluta de temperatura, la cual es independiente de las propiedades de

cualquier material, en razn a que la eficiencia de una mquina trmica es funcin solamente de

las temperaturas de los reservorios e independiente de las propiedades del material de la mquina

y que la eficiencia no puede ser mayor de 1 de acuerdo con la primera ley, el teorema de Carnot

conduce a que

donde representan las temperaturas absolutas de los

reservorios caliente y fro respectivamente.

Resumiendo, para una mquina trmica reversible que absorbe calor Q1 de un reservorio caliente

a una temperatura absoluta T1 y descarta calor Q2 de un reservorio fro a una temperatura

absoluta T2, del teorema de Carnot tenemos:

Todos las mquinas trmicas reales que van a travs de un ciclo en un tiempo finito involucran

procesos irreversibles tales como el flujo de calor debido a un gradiente de temperatura, estos por

lo tanto son menos eficientes, as que para estas mquinas la eficiencia

. Lo

anterior implica que

incluidos los procesos irreversibles.

As, para la operacin de un ciclo irreversible que son los que se encuentran en la realidad, tenemos

la desigualdad que debe cumplirse es:

La anterior desigualdad juega un papel fundamental en el concepto de entropa.

La segunda ley y el concepto de Entropa: La importancia total de los conceptos originalmente

pensados por Carnot fueron realizados por Rudolf Clausius (1822- 1888), quin introdujo el

concepto de Entropa, una nueva cantidad fsica tan fundamental y universal como la energa.

Clausius comienza por generalizar el teorema de Carnot para un ciclo arbitrario, para lo cual

supone que un ciclo en general, Figura 2b, se puede pensar que est compuesto de varios

pequeos ciclos de Carnot, Figura 2a, las isotermas difieren por cantidades pequeas T, siendo

Figura 2. Generalizacin de un ciclo de Carnot por Clausius.

Q1 el calor absorbido durante la transformacin de A a A, a la temperatura T1, y Q1 el calor

absorbido en la transformacin de AB a la temperatura (T1 +T), de modo similar definimos Q2 y

Q2 para las transformaciones CCy CD que ocurren a la temperatura (T2 + T) y T2

respectivamente. As el proceso reversible ABCDA, puede pensarse que est compuesto de dos

ciclos reversibles AACDA y ABCCA donde el trabajo en AC se cancela con el trabajo CA, por

lo tanto, el lector puede ver que:

La composicin de ciclos se puede extender a una trayectoria arbitraria cerrada, Figura 2b,

mediante la combinacin de un nmero infinito de ciclos de Carnot, y realizando la suma, en

general, con la notacin que dQ >0 si el calor es absorbido, pero dQ 0.

Entonces, el enunciado general de la segunda ley de la termodinmica es:

La entropa total de cualquier sistema, ms la de su ambiente, aumenta como resultado de

cualquier proceso natural

Cabe anotar que es una ley extraa y distinta a las otras conocidas en fsica, que, por lo general,

son igualdades, como la segunda ley de Newton Fuerza neta = masa por aceleracin, o las leyes de

conservacin, como la de la energa o cantidad de movimiento. La segunda ley de la

termodinmica presenta una cantidad nueva, la Entropa, S, pero no nos dice que se conserva. Al

contrario, L a entropa no se conserva, siempre aumenta con el tiempo.

Del orden al desorden. Una de las maneras convincentes para enunciar y sostener que la segunda

ley tiene un fundamento natural es mencionar que cuando se colocan dos objetos uno caliente y

otro frio, la temperatura del caliente disminuye y la del frio aumenta y no se ha visto el caso

contrario naturalmente, pero no es ms que una descripcin de una maquina trmica del que el se

puede obtener trabajo. Como en la naturaleza tampoco se ha visto que de un momento a otro que

los pedazos de una taza rota se unan para formarla nuevamente, se realiza la traslacin anloga

con el orden y el desorden, manifestando que la taza antes de romperse estaba ms ordenada que

la taza rota. En el caso de dos cuerpos con diferente temperatura que colocan en contacto, al

iniciar el proceso podramos distinguir dos clases de molculas: las que poseen energa cintica

media mayor que las que no, despus del proceso, todas las molculas pertenecen a una sola

clase, con la misma energa cintica media y la clasificacin de las molculas en dos grupos, con

ms orden, desaparece. El orden se ha transformado en desorden. Se puede entender que un

sistema con orden tiene ms capacidad del realizar trabajo que uno desordenado, en trminos

trmicos. As, entendemos que el desorden est relacionado con la aleatoriedad. Por ejemplo, una

capa de sal y otra de pimienta separadas tienen ms orden que una mezcla aleatoria de sal-

pimienta.

De la Informacin, suponiendo que se desea definir lo que se entiende por la cantidad de

informacin contenida en un mensaje, por lo general se piensa que un mensaje largo contiene

ms informacin que uno corto, es probable que se piense que lo largo del mensaje es una medida

idnea acerca de su contenido de informacin. As, se plantea que una definicin del contenido

de informacin puede ser el nmero de letras del mensaje, por ejemplo la palabra ayuda ayuda

tiene el doble de informacin que la palabra ayuda y aunque parece extrao en todo lenguaje

existe la redundancia que permite establecer la certeza de lo dicho. As nace el concepto de bit

que es la unidad de contenido mnima de informacin, y es una unidad til que consta nicamente

de dos smbolos, 1-0, si-no, + -, etc, es decir un alfabeto binario. Un mensaje de tres letras

contiene tres dgitos binarios, o letras bits de informacin. Cuantas palabras se pueden diferentes

es posible escribir con tres bits, ocho. Con cuatro 4 bits, 16. Con 5 bits 32, etc. As el contenido del

mensaje es p bits. Es decir existen p lugares para colocar los smbolos. Pero en cada lugar solo se

permite una eleccin de dos smbolos diferentes. Sea N el nmero de mensajes distintos que se

pueden escribir de esta manera, es obvio que N= 2p o p= log2 N., as cuando el nmero de

mensajes posibles es N, el contenido de informacin ser igual log2 N= Ln 2N, este razonamiento,

desarrollado por Shannon en l954, permiti establecer la teora de la informacin. El cambio de

entropa de comprimir una mezcla de dos gases, como se puede demostrar, es S=kT Ln 2N , POR

ESTA COINCIDENCIA SE ACEPT QUE LA ENTROPIA ES UNA MEDIDA DE LA INFORMACION DE UN

SISTEMA.