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Segunda Ley de la Termodinámica
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La segunda ley de la termodinámica establece que en cualquier proceso de conversión de energía, siempre se perderá parte de la energía en forma de calor residual, y es imposible lograr una conversión completa del calor en trabajo útil sin pérdidas. La fracción del calor que no puede ser convertida en trabajo se libera como calor residual. Esta liberación de calor residual resulta en un aumento de la entropía, que es una medida del desorden, tanto en el sistema como en su entorno, contribuyendo al aumento general de la entropía en el sistema.
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Segunda ley de la termodinámica
Concepto
La primera ley de la termodinámica establece que la energía se conserva y, en particular, que existen dos formas de modificar la energía interna del sistema, conocida como la energía interna ($U$). Esto se logra ya sea agregando o eliminando el contenido calórico ($Q$) y realizando trabajo sobre el sistema o permitiendo que el sistema realice trabajo, representado por el trabajo aportado o realizado ($W$).
La segunda ley restringe estos procesos, limitando la conversión de la energía interna ($U$) y el trabajo aportado o realizado ($W$). En este sentido, establece que no es posible que toda la energía el diferencial de la energía interna ($dU$) se convierta completamente en trabajo útil el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$), lo que significa que el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) nunca puede ser nulo. En otras palabras, es imposible convertir energía interna en trabajo mecánico sin experimentar una pérdida en forma de calor (el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$)).
Una segunda consecuencia de la segunda ley es que se hace necesario introducir una nueva variable, que cumple la función de el volumen ($V$) para el trabajo aportado o realizado ($W$), teniendo en cuenta que el contenido calórico ($Q$) desempeña su papel como receptor de energía no aprovechada para la creación de trabajo. Esta nueva variable se denomina la entropía ($S$), y la tercera ley exige que su variación ( ($$)) sea siempre positiva o nula, pero nunca negativa.
En un sistema, un subsistema puede experimentar una disminución de la entropía ($\Delta S_{sub}<0$), pero el sistema completo debe mantener la entropía constante o experimentar un aumento en la misma ($\Delta S_{total}\geq 0$), de acuerdo con la tercera ley.
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Segunda ley de la termodinámica
Ecuación
La segunda ley de la termodinámica establece que no es posible convertir por completo la energía el diferencial de la energía interna ($dU$) en trabajo útil el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$). La diferencia entre estas cantidades se relaciona con la energía no aprovechable el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), que corresponde al calor generado o absorbido en el proceso la temperatura absoluta ($T$).
En el caso de el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$), existe una relación entre la variable intensiva la presión ($p$) y la variable extensiva el volumen ($V$), expresada como:
| $ \delta W = p dV $ |
Una variable intensiva se caracteriza por definir el estado del sistema y no depender del tamaño del mismo. En este sentido, la presión ($p$) es una variable intensiva, ya que describe el estado de un sistema independientemente de su tamaño. Por otro lado, una variable extensiva, como el volumen ($V$), aumenta con el tamaño del sistema.
En el caso de el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), se necesita una variable extensiva adicional que complemente la variable intensiva la temperatura absoluta ($T$) para definir la relación como sigue:
 $ \delta Q = T dS $ |
Esta nueva variable, que llamaremos la entropía ($S$), se presenta aquí en su forma diferencial (la variación de la entropía ($dS$)) y modela el efecto de que no toda la energía el diferencial de la energía interna ($dU$) puede convertirse completamente en trabajo útil el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$).
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Energía Interna: Relación diferencial
Ecuación
Como el diferencial de la energía interna ($dU$) depende de el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), la presión ($p$) y la variación del volumen ($dV$) según la ecuación:
| $ dU = \delta Q - p dV $ |
podemos reemplazar el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) por la expresión de la segunda ley de la termodinámica en función de la temperatura absoluta ($T$) y la variación de la entropía ($dS$), lo que resulta en la expresión para el diferencial de la energía interna ($dU$):
| $ dU = T dS - p dV $ |
Dado que el diferencial de la energía interna ($dU$) depende de el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), la presión ($p$) y la variación del volumen ($dV$) según la ecuación:
| $ dU = \delta Q - p dV $ |
y la expresión de la segunda ley de la termodinámica con la temperatura absoluta ($T$) y la variación de la entropía ($dS$) como:
| $ \delta Q = T dS $ |
podemos concluir que:
| $ dU = T dS - p dV $ |
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Video: Segunda Ley de la Termodinámica
Descripción
Mini clase que explica los conceptos y el desarrollo de las ecuaciones claves del tema.
ID:(11204, 0)
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