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Segunda ley de la termodinâmica

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Leyes de la termodinâmica
0. Ley cero de la termodinâmica
1. Primera ley de la termodinâmica
2. Segunda ley de la termodinâmica
3. Tercera ley de la termodinâmica

La segunda ley de la termodinâmica o según principio de la termodinâmica expresa, de una forma concisa, que "La cantidad de entropia de cualquier sistema aislado termodinamicamente tiende a incrementarse con el tiempo, hasta alcanzar un valor máximo". Más sensiblemente, cuando una parte de un sistema cerrado interage con otra parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcance un equilibrio térmico.

Mientras la primera ley de la termodinâmica establece la conservación de energía en cualquier transformación, la segunda ley establece condiciones para que las transformaciones termodinâmicas puedan ocurrir.

Tabla de contenido

Descripción general

En un sentido general, la segunda ley de la termodinâmica afirma que las diferencias entre sistemas en contacto tienden a igualarse. Las diferencias de presión , densidad y, particularmente, las diferencias de temperatura tienden la equalizar-se. Esto significa que un sistema aislado llegará a alcanzar una temperatura uniforme. Una máquina térmica es aquella que provêm de trabajo eficaz gracias a diferencia de temperaturas de dos cuerpos. Dado que cualquier máquina termodinâmica requiere una diferencia de temperatura, se deriva pues que ningún trabajo útil puede extraerse de un sistema aislado en equilibrio térmico, es decir, requerirá de alimentación de energía del exterior. La segunda ley se usa normalmente como la razón por la cual no se puede crear una máquina de movimiento perpetuo (moto continuo).

Enunciados

La segunda ley de la termodinâmica ha sido expresada de muchas maneras diferentes. Sucintamente, se puede expresar así:

En otras palabras:

ES imposible la construcción de un dispositivo que, por sí sólo, es decir, sin intervención del medio exterior, consiga transferir calor de un cuerpo para otro de temperatura más elevada
Enunciado de Clausius .

De este enunciado, se puede establecer la impossibidade del "refrigerador ideal". Así, todo aparato refrigerador, para retirar calor de un ambiente, producirá más calor externamente.

En otras palabras:

ES imposible la construcción de un dispositivo que, por sí sólo, es decir, sin intervención del medio exterior, consiga transformar íntegramente en trabajo el calor absorbido de una fuente a una dada temperatura uniforme.
Enunciado de Kelvin -Planck.

De este enunciado, se tiene como consecuencia la impossibilidade del "motor ideal". Toda la máquina producirá energía a ser utilizada con desperdício de parte de esta en calor a ser perdido. De esto, ya era citado por Carnot (Nicolas Léonard Sadi Carnot - físico francés 1796 - 1832): Para transformar calor en energía cinética, se utiliza una máquina térmica, sin embargo esta no es 100% eficiente en la conversión.

Algunos autores llaman tal enunciado como "postulado" de Kelvin y así lo describen: Ningún proceso es posible donde el único resultado es la absorção de calor de un reservatório y su conversión completa en trabajo.

De estas definiciones se puede asociar también el enunciado de Carnot: Para que una máquina térmica realice trabajo son necesarias dos fuentes térmicas de diferentes temperaturas.

Visualizaciones de la segunda ley

Gráficamente se puede expresar imaginando una caldeira de un barco a vapor. Esta no podría producir trabajo si no fuera porque el vapor se encuentra la temperaturas y presión elevadas comparados con el medio que la rodea.

Otra manera de ver la segunda ley es por la observación de su relevancia. La primera ley es en la verdad, un principio de contabilidad de energía: las parcelas de energía deben ser sumadas. O sea, la primera ley trata de las cantidades de energía. La segunda ley, sin embargo, al decir que energía cinética (por ejemplo) puede ser íntegramente transformada en energía térmica (calor) pero no al contrario, indica una calidad para la energía:

Ejemplarmente, se puede imaginar un automóvil a 50 km/h. Él es súbitamente frenado. Toda su energía cinética será eventualmente transformada en energía interna de las pastilhas de freno (y otras fuentes de fricción) que se calentarán. Finalmente, una correcta cantidad de calor será transferida para el medio ambiente. Sin embargo, si yo ceder esta misma cantidad de calor al automóvil (o al freno), él no saldrá del lugar.

Tales cuestiones de eficiencia, tiene profundas implicações en el proyecto de máquinas, equipamientos y diversos procesos industriales.[3]

Equacionamento

Matemáticamente, se expresa así:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \frac{dS}{dt}\ge 0 \qquad \mbox{(1)}


donde S es la entropia y el símbolo de igualdad sólo existe cuando la entropia se encuentra en su valor máximo (en equilibrio).

Otra manera de expresar de manera simple la segunda ley es: La entropia de un sistema aislado nunca decresce. Pero es una mala interpretación común que la segunda ley indica que la entropia de un sistema jamás decresce. Realmente, indica sólo una tendencia, es decir, sólo indica que es extremadamente improvable que la entropia de un sistema cerrado decresça en un instante dado.

Como la entropia está relacionada al número de configuraciones de misma energía que un dato sistema puede poseer, podemos valernos del concepto subjetivo de desorden para facilitar la compreensão de la segunda ley (aunque entropia no sea esencialmente desorden[4]). O sea, la segunda ley afirma, a la grueso modo, que el desorden de un sistema aislado sólo puede crecer o permanecer igual.

Dije Arthur Eddinggton:

La ley que afirma que la entropia crece — la segunda ley de la termodinâmica tiene, según mi pensamiento, la posición suprema entre las leyes de la naturaleza. Si alguien insista que su teoría preferida del Universo está en desacuerdo con las ecuaciones de Maxwell — entonces tanto mejor para las ecuaciones de Maxwell. Si ellas contradigan la observación — bien, esas experiencias a veces dan errado. Pero si su teoría está en oposición a la segunda ley de la termodinâmica, entonces no puedo darle esperanza alguna: no hay nada a esperar de ella, sino caer en la mayor humilhação.[5]

Cuestiones específicas

Entropia en mecánica estadística

Si para un sistema de partículas en equilibrio térmico se conoce la función de partición Z, dada por los métodos de la mecánica estadística clásica se puede calcular la entropia mediante:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): S = -k_B \sum_j P_j\ln P_j = \frac{\partial}{\partial T}(k_B T \ln Z)


Donde kB es la constante de Boltzmann, T la temperatura y las probabilidades Pj que aparecen en el somatório vienen dadas por la temperatura y la energía de los microníveis de energía del sistema:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): P_j = \frac{y^{-Y_j / k_BT}}{Z} \qquad Z = \sum_j y^{-Y_j / k_BT}


Entropia de Von Neumann en la mecánica quântica

El siglo XIX el concepto de entropia fue aplicado a sistemas formados por muchas partículas que se comportan clásicamente, en principios del siglo XX Von Neumann generalizó el concepto de entropia para sistemas de partículas quânticas, definiendo para un estado mescla caracterizado por una matriz densidad ρ la entropia quântica de Von Neumann como la magnitud escalar:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): S(\rho) \,= \,-k_B {\rm Tr} (\rho \, {\rm ln} \rho),


Entropia generalizada en relatividade general

El intento de extender el análisis termodinâmica convencional al universo entero llevó a examinarse en principios de los años 70 el comportamiento termodinâmico de estructuras como los agujeros negros. El resultado preliminar de este análisis reveló algo muy interesante, que la segunda ley tal como había sido formulada convencionalmente para sistemas clásicos y quânticos podría ser violada en presencia de agujeros negros. Sin embargo, los trabajos de Jacob D. Bekenstein sobre teoría de la información y agujeros negros sugirieron que la segunda ley seguiría siendo válida si fuera indroduzida una entropia generalizada (Sgen) que sumada a la entropia convencional (Sconv), la entropia atribuível a los agujeros negros que depende del área total (A )de agujeros negros en el universo.

Concretamente esta entropia generalizada debe definirse cómo:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): S_{gen} = S_{conv} + \frac{kc^3}{4G\hbar}A


Donde, k es la constante de Boltzmann, c es la velocidad de la luz, G es la constante de gravitação universal y Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \hbar

es la constante de Planck racionalizada.

Entropia en la cosmologia

En cosmologia, en la evolución del universo el tiempo se verifica una disminución de la cantidad de energía disponible para la realización de trabajo. Tal implica una limitación el tiempo de la existencia del universo tal como se presenta, pues el sentido natural de los cambios de la naturaleza es lo que origina una disminución de la calidad de la energía. Teóricamente, el universo sería el único sistema realmente aislado, y como tal, en él, la cantidad de energía útil nunca aumenta.[6]

Tal cuestión tiene profundas implicações en filosofía en el tratamiento del que llamamos tiempo en física[7] y en una comprensión del universo con este cómo una de sus dimensiones y en este en su historia y evolución, implicando difíciles tratamientos en el que sean las plantillas cíclicas, entre estos la plantilla de universo oscilante o "grande rebote (big bounce)".[8]

La segunda ley de la termodinâmica y el criacionismo

Tales conceptos ha traído algunas distorções de esta teorização, principalmente por algunos defensores del criacionismo acerca de los seres vivos y de su evolución.[9][10][11][12][13]

La afirmación criacionista

La afirmación de los criacionistas más fervorosos es que el Universo tendería obligatoriamente de la orden al desorden, del más complejo al más simple, haciendo el origen químico de la vida (biopoese), el proceso evolutivo de los seres vivos, su formación y regeneración de tejidos a partir de la alimentación (como la síntesis de proteínas o la formación de glicose ), su reproducción, la formación de cristales y hasta la agregação de los cuerpos celestes, imposible.[14][15][16]

Criacionistas más criteriosos intentan demostrar a través de la segunda ley de la termodinâmica que la disminución de la entropia estaría condicionada a una interferencia externa a los sistemas físicos, y esto abriría la posibilidad de esa interferencia ser intencional y planeada por una entidad inteligente (lo que los aproximaría de los defensores del llamado "Design Inteligente"), que supuestamente correspondería a la una divindade, denominável como "Dios". Filosóficamente, el argumento sería válido, sin embargo, no se situaría en el campo científico, pues sería una hipótesis no falseável.

El error fundamental del argumento

Pero la segunda ley de la termodinâmica no hace tales afirmaciones, pues la entropia de la termodinâmica no mide el aumento o disminución de la complejidad de los sistemas, ni su aumento o disminución de orden. La segunda ley sólo afirma que calor no fluye espontáneamente de un cuerpo de más baja temperatura para un cuerpo de más alta, equivalentemente, que la energía que puede efectivamente ser transformada en trabajo, en un sistema cerrado, nunca aumenta.[nota 1]

Visto que el planeta Tierra (así como cualquier otro) no es un sistema cerrado (y es de observarse que sistemas plenamente cerrados y aislados no existen en la práctica), la entropia termodinâmica puede disminuir. La radiação del Sol (con baja entropia) ilumina y calienta la Tierra (con alta entropia). De ese flujo de energía, sumado los cambios de entropia que lo acompaña, pueden y de hecho permiten que la entropia termodinâmica disminuya localmente en la Tierra.[17]

Una de las maneras más simples de mostrar que el argumento criacionista es equivocado del punto de vista químico (y consecuentemente en el bioquímico) es presentar reacciones químicas simples, que ocurren naturalmente con complejidad creciente formada, como la formación de ácido carbónico, sulfuroso y sulfúrico , a partir de la reacción de óxidos (respectivamente dióxido de carbono, dióxido y trióxido de enxofre) con agua[nota 2]:

CO2 + H2La → H2CO3
SO2 + H2La → H2SO3
SO3 + H2La → H2SO4

Además de todas las polimerizações, donde hay creciente complexação molecular, como la polimerização del polietileno:

n C2H2(CH2-CH2)n

O, por vías completamente naturales, la polimerização de la glicose formando la celulose :

A pesar de entropia termodinâmica y desorden sean muchas veces correspondientes, ni siempre lo son. Algunas veces la orden aumenta junto con la entropia.[18] El aumento de entropia termodinâmica puede hasta producir orden, como ordenar moléculas por su tamaño, incluyendo el propio ADN de los seres vivos, o partículas coloidais en soluciones de eletrólitos.[19][20][21] Aún en un sistema considerado para efectos prácticos cerrado, regiones de baja entropia pueden se forme si ellos están separados de otros locales con alta entropia en el sistema.[22]

Muchas veces, una orden aperentemente sorprendente aparece naturalmente, en procesos geológicos, por ejemplo. El Calzada de los Gigantes (Giant's Causeway) en la Irlanda del Norte consiste de grandes columnas de piedra presentando sección recta hexagonal, dando la impresión de haber sido proyectadas. Fueron formadas cuando el magma incandescente llegó a la superficie de la Tierra y se resfrió. Tales tipos de orden originándose del caos (emergencia) pueden ser vistos igualmente en círculos de cascalho y piedras que ocurren naturalmente en una isla del norte de la Noruega. Se puede discutir los procesos específicos de organización de las columnas y de los círculos de piedras, pero la la entropia del magma y de las piedras disminuyó, aunque la entropia de sus ambientes haya aumentado.[23]

Historia del argumento

La idea errónea de que entropia de la termodinâmica es lo aunque desorden fue primero divulgada por Duane T.Gish, del Institute sea Creation Research (Instituto para Investigación de la Creación).[24] Otros autores defensores de estas ideas son Henry M. Morris y Harold L. Armstrong.[25][26][27]

Biología y entropia

Los únicos procesos necesarios para ocurrir evolución son: reproducción, variabilidade hereditária y selección. Estos procesos ocurren y son vistos todo el tiempo, y ninguna ley física, tal como la tendencia del aumento de la entropia termodinâmica, impediría la ocurrencia de ellos. Conexiones entre evolución y entropia ya fueron estudiadas en profundidad, y la entropia jamás fue un impedimento a la evolución.[28][29][30][31][32]

Hipótesis relacionadas

Diversos científicos han presentado hipótesis que la evolución y el origen de la vida tiene como impulso la entropia[33]. Algunos de ellos veem la información de los organismos sujetos a la diversificação en consonancia con la segunda ley de la termodinâmica, con organismos buscando el preenchimento de nichos vacíos como un gas en expansión en un recipiente vacío.[34] Otros aún propone que sistemas complejos altamente organizados se forman y se modifican el tiempo (evolucionan) para disipar energía (y aumentar la entropia) de forma más eficiente.[35]

Referencias

  1. VAN WYLEN, G.J.; SONNTAG, R.Y.; BORGNAKKE, C. Fundamentos de la termodinâmica. 5. ed. São Paulo: Edgard Blucher Ltda., 1998. 537p.
  2. A.W. Smith y J.N. Cooper, Elements of Physics, 8th edition (New York, New York: McGraw-Hill Publishing, 1972), p. 241.
  3. John McCarthy; The Second Law of Thermodynamics and Low Reja Mineral Ores; August 21, 1997; Stanford University - www-formal.stanford.edu
  4. Kestenbaum, David, 1998. Gentle fuerce of entropy bridges disciplines. Science 279: 1849.
  5. Paul DAVIES, The Cosmic Blueprint. New York: Simon & Shuster, 1988, p. 20
  6. S. Gasstone, Textbook of Physical Chemistry (New York: D. Van Nostrand Company, 1946).
  7. Thermodynamic Asymmetry in Equipo - plato.stanford.edu (en inglés)
  8. Equipo Reversal Invariance - www2.slac.stanford.edu (en inglés)
  9. La Acalorada Cuestión TERMODINÂMICA - www.evo.bio.br
  10. Evolution and the Second Law of Thermodynamics - ay.stanford.edu (en inglés)
  11. Five Major Misconceptions about Evolution - "Evolution violates the 2nd law of thermodynamics." - www.talkorigins.org (en inglés)
  12. The Second Law of Thermodynamics, Evolution, and Probability - www.talkorigins.org (en inglés)
  13. Attributing False Attributes te lo Thermodynamics - www.talkorigins.org (en inglés)
  14. A 2la Ley de la Termodinâmica invalida a TE - errores-criacionistas
  15. Frank Steiger; Segunda Ley de la Termodinâmica, Evolución y Probabilidad - str.con.br
  16. Vasconcelos, L. (2005) Entropia y Segunda Ley de la Termodinâmica. Proyecto Evolucionando - Biociência.org.
  17. Marcus Valerio XR; La Acalorada Cuestión TERMODINÂMICA; Enero de 2001 - www.evo.bio.br
  18. Aranda-Espinoza, H., Y. Chen, N. Dan, T. C. Lubensky, P. Nelson, L. Ramos and D. A. Weitz, 1999. Electrostatic repulsion of positively charged vesicles and negatively charged objects. Science 285: 394-397.
  19. Han, J. and H. G. Craighead, 2000. Separation of long ADN molecules in a microfabricated entropic trap array. Science 288: 1026-1029.
  20. Jianzhong Wu, Dusan Bratko, and John M. Prausnitz; Interaction between like-charged colloidal spheres in electrolyte solutions; PNAS; The National Academy of Sciences, 1998
  21. M. B. McBride and P. Baveye; Diffuse Double-Layer Models, Long-Range Fuerces, and Ordering in Clay Colloids; Soil Science Society of America Journal 66:1207-1217 (2002)
  22. Haynie, Donald, T. (2001). Biological Thermodynamics. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-79549-4.
  23. Halliday D, Resnick R, Walker J. Fundamentos de la Física. Vol. 2. 4 ª Edición. Libros Técnicos y Científicos.
  24. Duane T. Gish, "A Consistent Christian-Scientific View of the Origin of Life"; Creation Research Society Quarterly, Vol. 15, En el. 4 (March 1979), pp. 185-203
  25. Henry M. Morris, The Biblical Basis sea Modern Science (Grand Rapids, Michigan: Baker Book House, 1984), pp. 185-215
  26. Henry M. Morris and Gary Y. Parker, What Is Creation Science? (Santee, California: Master Books, 1982), pp. 153-188.
  27. Harold L. Armstrong, "Evolutionistic Defense Against Thermodynamics Disproved"; Creation Research Society Quarterly, Vol. 16, En el. 4 (March 1980), pp. 226-227, 206, and Vol. 17, En el. 1 (June 1980), pp. 72-73, 59.
  28. Demetrius, Lloyd, 2000. Thermodynamics and evolution. Journal of Theoretical Biology 206(1): 1-16.
  29. Atkins, P.W.; The Second Law. New York: Scientific American Books, 1984.
  30. Dickerson, R.Y.; Molecular Thermodynamics. Menlo Park, CA: Benjamin, 1969.
  31. Klotz, I.M.; Energy Changes in Biochemical Reactions. New York: Academic Press, 1967.
  32. Kauffman, Stuart A.; The Origins of Order. New York: Oxford, 1993.
  33. McShea, Daniel W., 1998. Possible largest-scale trends in organismal evolution: eight live hypotheses. Annual Review of Ecology and Systematics 29: 293-318
  34. Brooks, D. R. and Y. Lo. Wiley, 1988. Evolution Las Entropy, University of Chicago Press.
  35. Schneider, Eric D. and James J. Kay, 1994. Life las a manifestation of the second law of thermodynamics. Mathematical and Computer Modelling 19(6-8): 25-48.

Conexiones externas

Tratamientos didácticos y en nivel medio:

Al nivel universitario:

Notas

  1. Aquí los criacionistas distorcem las afirmaciones de la termodinâmica, afirmando que la energía que podría ser transformada en trabajo podría aumentar con interferencia externa, de forma intencional, lo que descaracterizaria el sistema como cerrado y más una vez, quebrando lo que se llama en Filosofía de la Ciencia "demarcação", colocando una hipótesis sobrenatural no falseável como causa de un fenómeno natural.
  2. Se afirma que las reacciones químicas podrían tener la acción indetectável de una divindade puede hasta tener un nexo filosófico, pero igualmente sería una argumentação no científica, pues infalseável y además de la demarcação científica, tratándose sólo de una inserción de una falácia del tipo "Dios de las lagunas". Una afirmación que determinados pasos de la reacciones químicas biológicas, estando estas relacionadas o no al proceso evolutivo o aún al origen de la vida, hayan sido coordinadas por una divindade pues desconocemos como hayan se dado sería una falácia del tipo argumentum ad ignorantiam.

Ver también