Segunda Ley de la Termodinamica

El segundo principio de la termodinámica establece que, si bien todo el trabajo mecánico puede transformarse en calor, no todo el calor puede transformarse en trabajo mecánico. En este apartado estudiaremos:

• Si es posible convertir todo el trabajo en calor o todo el calor en trabajo
• El segundo principio de la termodinámica
• Su aplicación en el caso de las máquinas térmicas
• Qué entendemos por eficiencia o rendimiento de una máquina térmica
• Una introducción al concepto de entropía
• La relación que guardan la entropía y la tercera ley de la termodinámica

¿Estás preparado?

Restricciones a la primera ley

La primera ley de la termodinámica establece la relación que guardan el trabajo, el calor y la energía interna de un sistema según la expresión $∆U=Q+W$  (ó $∆U=Q-W$ , según criterio de signos elegido). Como vemos, a la luz del primer principio, siempre que se mantenga constante la energía interna de un sistema es posible transformar el trabajo en calor. También sería, en teoría, posible transformar todo el calor en trabajo. Sin embargo la experiencia nos dice que no es así.

Es por ello que resulta necesaria una segunda ley que establezca esta restricción que observamos en la naturaleza.

Segunda ley de la termodinámica

Al igual que ocurren con otras leyes de termodinámica, el segundo principio es de tipo empírico, llegamos a él a través de la experimentación. La termodinámica no se preocupa de demostrar por qué las cosas son así, y no de otra forma.

Observa que esta segunda ley no dice que no sea posible la extracción de calor de un foco frío a otro más caliente. Simplemente dice que dicho proceso nunca será espontáneo.

A continuación vamos a estudiar las consecuencias de estas leyes en el caso de máquinas térmicas y a introducir el concepto de entropía.

Máquinas térmicas

Las máquinas térmicas son sistemas que transforman calor en trabajo. En ellas, se refleja claramente las restricciones señaladas anteriormente. Existen muchos ejemplos de aparatos que son, en realidad, máquinas térmicas: la máquina de vapor, el motor de un coche, e incluso un refrigerador, que es una máquina térmica funcionando en sentido inverso.

Estructura

En la figura inferior puede verse un esquema de una máquina térmica habitual.

Dado que T₁ > T₂ , el calor fluye de manera espontánea desde la fuente al sumidero. La máquina transforma parte de este calor en trabajo, y el resto fluye al sumidero. No existe variación en la energía interna de la máquina resultando:

$$∆U=0\Rightarrow \left|Q_1\right|=\left|W\right|+\left|Q_2\right|$$

Donde hemos utilizado el valor absoluto para ser consistente con cualquiera de los criterios de signos habituales. Observa que, en condiciones óptimas:

$$\left|W\right|=\left|Q_1\right|-\left|Q_2\right|\Rightarrow \left|W\right|<\left|Q_1\right|$$

Es decir, no todo el calor que absorbe la máquina se transforma en trabajo.

Puede que te estés  preguntando si sería posible otro modelo de máquina, sin sumidero de calor, que sí permita transformar todo el calor en trabajo. La respuesta es que una máquina así es imposible de construir en la práctica ya que se necesita de una diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el sumidero para que este fluya a través de la máquina.

Funcionamiento

El proceso cíclico de una máquina térmica sigue los siguientes pasos:

1. La fuente de calor, por ejemplo una caldera, a una temperatura T₁ , inicia una transferencia del mismo Q₁ a la máquina. Esta transferencia es posible por la diferencia de temperatura con el sumidero, a una temperatura T₂
2. La máquina emplea parte de ese calor en realizar el trabajo W . Por ejemplo, el movimiento de un pistón
3. El resto de calor Q₂ se transfiere a un sumidero de calor, por ejemplo un circuito de refrigeración, a una temperatura T₂ < T₁

El proceso anterior se repite de manera continuada mientras la máquina se encuentra en funcionamiento.

Eficiencia térmica

Las máquinas térmicas aprovechan una parte del calor que reciben y lo transforman en trabajo, dejando el resto que pase al sumidero. Dadas dos máquinas cualesquiera, nos será útil saber cual de ellas es capaz de convertir en trabajo una mayor cantidad del calor que recibe.

El hecho de que los valores de eficiencia sean menores del 100% no es una cuestión técnica que se pueda mejorar, sino una consecuencia del segundo principio de la termodinámica.

Entropía

El segundo principio de la termodinámica no se límita exclusivamente a máquinas térmicas sino que se ocupa, en general, de todos los procesos naturales que suceden de manera espontánea. Podemos decir que se ocupa de la evolución natural de los sistemas termodinámicos, es decir, de la dirección en que avanzan. Esta dirección se asocia a la distribución molecular interna de las moléculas.

Para estudiar la espontaneidad de los procesos, el austriaco Ludwig Edward Boltzmann introdujo una nueva magnitud denominada entropía.

Un estudio más exhaustivo de le entropía requiere herramientas matemáticas que están fuera del ámbito de este nivel educativo, sin embargo si es importante que sepas qué relación guarda la entropía con la segunda ley de la termodinámica.

Veamos algunos ejemplos concretos para entender mejor este concepto:

1. Si coges un montón de lápices y los lanzas al aire, cuando caigan es poco probable que caigan alineados. Lo más probable es que caigan en completo desorden
2. Si echas azucar al agua, las partículas se distribuyen al azar por toda la disolución de un modo espontáneo, y no en una sola dirección
3. En un gas que se expande libremente, la presión en las paredes del recinto en el que se encuentra es la misma en cualquier punto. La razón es que las partículas del gas se han expandido en todas direcciones por igual y no en una en concreto

Vemos pues, que aumento del desorden es la dirección natural en que evolucionan los procesos naturales.

Degradación energética

A partir de las leyes primera y segunda de la termodinámica podemos decir que en toda transformación natural la energía del universo se conserva y su entropía aumenta. Por tanto:

$$∆U_{\text{universo}}=0 ;\hspace{0.17em}∆S_{\text{universo}}=0$$ 

Este aumento de entropía se asocia a un aumento de la energía térmica de los sistemas. La energía térmica es la forma más degradada de energía, ya que, como hemos señalado, no se puede aprovechar íntegramente en producir trabajo. A este fenómeno se le ha venido a denominar crisis entrópica ya que conduce al universo, con el paso de millones de años, a una muerte térmica: todas las formas de energía se acabarán convirtiendo en calor. 

Tercera ley de la termodinámica

La entropía está intimamente relacionada con la tercera ley de la termodinámica, mucho menos importante que las otras dos. Fue desarrollada en 1906 por Walther Nernst y su estudio detallado queda fuera de los propósitos de este nivel. Sin embargo, si es importante que sepas que está relacionada con el comportamiento de la entropía cuando nos acercamos al cero absoluto.