Segunda Ley de la Termodinámica

Segunda Ley de la Termodinámica 

La segunda ley de la termodinámica establece que: “La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo” y que el trabajo se puede convertir en calor, no todo el calor puede convertirse en trabajo. La máxima eficiencia que se puede conseguir es la eficiencia de Carnot. Entonces la segunda ley de la termodinámica indica que ciertos procesos no suceden o nunca se han observado que sucedan, aunque aún tengan congruencia con la primera ley de la termodinámica.

De acuerdo al teorema de Kelvin Planck, toda transformación cíclica, cuyo único resultado final sea el de absorber calor de un cuerpo o fuente térmica a una temperatura dada y convertirlo íntegramente en trabajo es “imposible”. Otro científico que da su propia axioma es Clasius, el cual nos dice que, es imposible construir una máquina que operando en ciclos no haga otra cosa que extraer una cierta cantidad de calor y llevarlo de un cuerpo frío a otro caliente. 

Imagen 1. Ciclo de la tercera termodinámica

Proceso Reversible

Es un proceso idealizado en la que se puede cambiar la dirección de un proceso. Dichos procesos siempre están muy cerca del equilibrio termodinámico dentro de sí y con su entorno, los cuales cumples las siguiente condiciones:

1. Son procesos cuasi estáticos en el cual el sistema siempre se encuentra en un estado de equilibrio térmico. 

2. No presenta transformaciones de energía mecánica en equilibrio térmico debido a las fuerzas dispersivas.

3. La transferencia de energía (calor), sólo puede suceder cuando las diferencias de temperatura entre los objetos son infinitesimales. 

 De acuerdo a la segunda ley de la termodinámica los proceso reversibles deben cumplir con:

Ejemplos:

1. Transferencia de energía en forma de calor por diferencias infinitesimales de la temperatura.

2. Reacción química restringida.

3. Movimiento sin fricción.

4. Expansión o comprensión restringida.

Imagen 2. Proceso reversible

Proceso irreversible

Es un proceso que se efectúa en una dirección pero no en otra, estos no están en equilibrio térmico en ningún punto hasta el final del proceso. Este proceso irreversible no indica que el sistema no pueda regresar a su estado inicial, puede hacerlo pero no por el mismo camino, sino por uno diferente.

De acuerdo a la segunda ley de la termodinámica el proceso irreversible debe cumplir con:

Ejemplos:

1. El flujo de calor de un cuerpo caliente a uno más frío.

2. Expansión libre de un gas y la convención de trabajo en calor por fricción.

3. Un movimiento con fricción.

4. Transferencia de energía en forma de calor por diferencia de temperatura.

5. Mezcla de materia de diversa composición o estado.

Imagen 3. Proceso irreversible.

Aplicaciones de la Segunda Ley de la Termodinámica

Las aplicaciones de la segunda ley de la termodinámica son innumerables pero cabe destacar algunas como en las áreas de la física, biología, ingeniería, físico-químico, entre otras. Algunas de las aplicaciones son: 

Aplicación a la Ingeniería

Sucede cuando tiene una máquina que opera en ciclos, estos ciclos son arbitrarios (reversibles) y la sustancia operante es también arbitraria. Esta máquina M opera entre una fuente de calor a una temperatura T y cede parte del calor extraído de ella a otro cuerpo de menor temperatura T1. Durante el proceso se realiza un trabajo W, de acuerdo a la primera ley de la termodinámica es igual a:

El signo que está asociado al trabajo, se debe a que el sistema está realizando trabajo sobre los alrededores. Con la sustancia operante esta sufre una entropía que es igual a cero, el único cambio que sufre la máquina es:

Sus cuerpos no varía en su temperatura por tanto al despejar W se obtiene:

Por tanto la eficiencia máxima de trabajo que puede obtener la máquina térmica es:

Aplicación a la Química

Una de las características de los procesos dentro de la química, siempre van acompañada de ciertas cantidades de energía la cual se le conoce como: “el calor de la reacción”. Hay una clase de reacción química en la cual hay que suministrarle energía para que pueda ocurrir y se les conoce con el nombre de endotérmicas y la otra clase que produce energía en forma de calor se llama exotérmicas.

En el año de 1840 en químico Hess enunció una regla empírica conocida como “l ley de Hess”, la cual establece que el calor absorbido o cedido por una reacción química es el mismo, independiente de que la reacción ocurra en uno o varios pasos, gracias a esta regla es posible calcular las reacciones de reacciones químicas, que no pueden estudiarse en el laboratorio.

Para mostrar la regla de Hess hay que aplicar la siguiente ecuación:

Después aplicamos la entalpía de un sistema y se obtiene:

Debido que el proceso mantiene una presión constante el proceso es isobárico:

Debido al cambio de volumen y a una expansión, el trabajo implicado en el sistema queda:

Bibliografía 

Ibero. Física Universitaria . Termodinámica. Notas para el curso de Física Universitaria. Recuperado de https://ibero.mx/campus/publicaciones/fisica/pdf/15termodinamica.pdf

Jímenez Carballo. C. A. Proceso reversible e irreversible. Segunda ley de la termodinámica. Instituto tecnológico de Costa Rica. Recuperado de https://repositoriotec.tec.ac.cr/bitstream/handle/2238/10186/Segunda%20Ley%20Termodinamica.pdf?sequence=1&isAllowed=y