Definición de algunos conceptos
La termodinámica, por definirla de una manera
muy simple, fija su atención en el interior de los
sistemas físicos, en los intercambios de
energía en forma de calor que se
llevan a cabo entre un sistema y otro. A
las magnitudes macroscópicas que se relacionan con
el estado
interno de un sistema se les
llama coordenadas termodinámicas; éstas nos
van a ayudar a determinar la energía interna del sistema. En
resumen, el fin último de la termodinámica es encontrar entre las
coordenadas termodinámicas relaciones generales coherentes
con los principios
básicos de la física
(recuérdese el principio de la conservación de la
energía que tratamos en el número 3 de "Horizonte
Social).
La termodinámica basa sus análisis en algunas leyes: La
Ley
"cero", referente al concepto de
temperatura,
la Primera Ley de la
termodinámica, que nos habla de el
principio de conservación de la energía, la Segunda
Ley de la
termodinámica, que nos define a la entropía. A
continuación vamos a hablar de cada una de estas leyes, haciendo
hincapié en la segunda ley y el concepto de
entropía.
La Ley
cero
La Ley cero de la termodinámica nos dice que si
tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura
uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo
determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura,
es decir, tendrán ambos la misma temperatura.
Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto
con A y B, también alcanzará la misma temperatura y,
por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura
mientras estén en contacto.
De este principio podemos inducir el de
temperatura, la cual es una condición que cada
cuerpo tiene y que el hombre ha
aprendido a medir mediante sistemas
arbitrarios y escalas de referencia (escalas
termométricas).
La Primera Ley
La Primera ley de la termodinámica se refiere al
concepto de
energía interna, trabajo y calor. Nos
dice que si sobre un sistema con una
determinada energía interna, se realiza un trabajo
mediante un proceso, la
energía interna del sistema
variará. A la diferencia de la energía interna del
sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El
calor es la
energía transferida al sistema por medios no
mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente
metálico con agua; podemos
elevar la temperatura del agua por
fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un
mechero; en el primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el
sistema y en el segundo le transmitimos calor.
Cabe aclarar que la energía interna de un
sistema, el trabajo y
el calor no son
más que diferentes manifestaciones de energía. Es
por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino
que, durante un proceso
solamente se transforma en sus diversas
manifestaciones.
La Segunda Ley
Por último, vamos a ver el contenido de la
segunda ley de la termodinámica. En términos
más o menos sencillos diría lo siguiente: "No
existe un proceso cuyo único resultado sea la
absorción de calor de una fuente y la conversión
íntegra de este calor en trabajo". Este principio
(Principio de Kelvin-Planck) nació del estudio del
rendimiento de máquinas y mejoramiento tecnológico
de las mismas. Si este principio no fuera cierto, se
podría hacer funcionar
una central térmica tomando el calor del medio
ambiente; aparentemente no habría ninguna
contradicción, pues el medio ambiente
contiene una cierta cantidad de energía interna, pero
debemos señalar dos cosas: primero, la segunda ley de la
termodinámica no es una consecuencia de la primera, sino
una ley independiente; segundo, la segunda ley nos habla de las
restricciones que existen al utilizar la energía en
diferentes procesos, en
nuestro caso, en una central térmica. No existe una
máquina que utilice energía interna de una sola
fuente de calor.
El concepto de
entropía fue introducido por primera vez por R. J.
Clausius a mediados del siglo XIX. Clausius, ingeniero
francés, también formuló un principio para
la Segunda ley: "No es posible proceso alguno
cuyo único resultado sea la transferencia de calor desde
un cuerpo frío a otro más caliente". En base a
este principio, Clausius introdujo el concepto de
entropía, la cual es una medición de la cantidad de
restricciones que existen para que un proceso se
lleve a cabo y nos determina también la dirección de dicho proceso. Vamos
ahora a hablar de las tres acepciones más importantes de
la palabra entropía.
La entropía, el desorden y el grado de
organización.
Vamos a imaginar que tenemos una caja con tres
divisiones; dentro de la caja y en cada división se
encuentran tres tipos diferentes de canicas: azules, amarillas y
rojas, respectivamente. Las divisiones son movibles así
que me decido a quitar la primera de ellas, la que separa a las
canicas azules de las amarillas. Lo que estoy haciendo dentro del
punto de vista de la entropía es quitar un grado o
índice de restricción a mi sistema; antes de que yo
quitara la primera división, las canicas se encontraban
separadas y ordenadas en colores: en la
primera división las azules, en la segunda las amarillas y
en la tercera las rojas, estaban restringidas a un cierto
orden.
Al quitar la segunda división, estoy quitando
también otro grado de restricción. Las canicas se
han mezclados unas con otras de tal manera que ahora no las puedo
tener ordenas pues las barreras que les restringían han
sido quitadas.
La entropía de este sistema ha aumentado al ir
quitando las restricciones pues inicialmente había un
orden establecido y al final del proceso (el proceso es en este
caso el quitar las divisiones de la caja) no existe orden alguno
dentro de la caja.
La entropía es en este caso una medida del orden
(o desorden) de un sistema o de la falta de grados de
restricción; la manera de utilizarla es medirla en nuestro
sistema inicial, es decir, antes de remover alguna
restricción, y volverla a medir al final del proceso que
sufrió el sistema.
Es importante señalar que la entropía no
está definida como una cantidad absoluta S (símbolo
de la entropía), sino lo que se puede medir es la
diferencia entre la entropía inicial de un sistema Si y la
entropía final del mismo Sf. No tiene sentido hablar de
entropía sino en términos de un cambio en las
condiciones de un sistema.
Entropia, procesos
reversibles y procesos
irreversibles.
Volviendo al ejemplo anterior de la caja con
separaciones y canicas, vamos a explicar qué es un proceso
reversible y qué un proceso no reversible.
Llamamos proceso reversible al que se puede invertir y
dejar a nuestro sistema en las mismas condiciones iniciales.
Teniendo en cuenta
nuestra caja ya sin las separaciones, tenemos a las
canicas revueltas unas con otras, es decir, sin un orden. Si el
proceso que efectuamos de quitar las divisiones fuera reversible,
las canicas tendrían que ordenarse espontáneamente
en azules, amarillas y rojas, según el orden de las
divisiones. Esto no ocurrirá.
El proceso que efectuamos con nuestra caja de canicas
fue un proceso no reversible, en donde una vez terminado, el
orden que había en las condiciones iniciales del sistema
ya nunca volverá a establecerse. El estudio de este tipo
de procesos es
importante porque en la naturaleza todos
los procesos son
irreversibles.
La entropía y la energía
"gastada".
En el principio enunciado por Clausius que anteriormente
citamos, podemos encontrar la relación con la
entropía y la energía liberada en un proceso.
Pensemos en un motor. El
motor necesita
de una fuente de energía para poder
convertirla en trabajo. Si pensamos en un coche, la gasolina,
junto con el sistema de chispa del motor,
proporciona la energía (química) de combustión, capaz de hacer que el auto se
mueva. ¿qué tiene que ver la entropía
aquí?
La energía que el coche "utilizó" para
realizar trabajo y moverse, se "gastó", es decir, es
energía liberada mediante un proceso químico que ya
no es utilizable para que un motor produzca
trabajo.
Este es uno de los conceptos más difíciles
de entender de la entropía, pues requiere un conocimiento
un poco menos trivial del funcionamiento de motores,
frigoríficos y el ciclo de Carnot. Pero para
nuestros fines con esta explicación es
suficiente.
¿Para qué sirve la
entropía?
La entropía, como medida del grado de
restricción o como medida del desorden de un sistema, o
bien en ingeniería, como concepto auxiliar en los
problemas del
rendimiento energético de las máquinas, es una de
las variables
termodinámicas más importantes. Su relación
con la teoría
del caos le abre un nuevo campo de estudio e investigación a este tan "manoseado"
concepto.
Autor:
Sandra Bustamante
Martínez