La segunda ley de la termodinámica es uno de los principios fundamentales de la física, con implicaciones profundas tanto en sistemas naturales como en aplicaciones tecnológicas. Esta ley establece que:
"La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse con el tiempo."
En términos sencillos, esto significa que los procesos naturales tienden hacia el desorden, y que la energía útil disponible para realizar trabajo disminuye con el tiempo.
Energía, calor y trabajo: lo que sí y lo que no
Uno de los aspectos esenciales que se derivan de esta ley es que, aunque todo el trabajo mecánico se puede convertir completamente en calor, no sucede lo mismo al revés: no todo el calor puede transformarse en trabajo. Esta limitación define una eficiencia máxima teórica, conocida como la eficiencia de Carnot, que depende únicamente de las temperaturas del foco caliente y del foco frío.
Comparación con la primera ley de la termodinámica
Según la primera ley de la termodinámica, o ley de conservación de la energía, la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Esta idea se resume en la ecuación:
\[ \Delta U = Q - W \]
Donde:
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\( \Delta U \) es el cambio en la energía interna del sistema.
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\( Q \) es el calor absorbido.
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\( W \) es el trabajo realizado por el sistema.
Esta ley, sin embargo, no indica en qué dirección ocurren los procesos, es decir, no distingue entre lo que es posible o natural y lo que no lo es. Para eso necesitamos el segundo principio.
La entropía y el segundo principio
El concepto clave en la segunda ley es la entropía, una medida del desorden o aleatoriedad de un sistema. Cuanto mayor es la entropía, más desorganizado o disperso está el sistema. La segunda ley establece que:
En un sistema cerrado o aislado, la entropía total no puede disminuir; solo puede mantenerse constante (en procesos reversibles) o aumentar (en procesos reales e irreversibles).
Por lo tanto, para que el calor fluya de un cuerpo frío a uno caliente (es decir, en contra del gradiente térmico), se requiere realizar trabajo externo. Esto explica, por ejemplo, el funcionamiento de refrigeradores o aires acondicionados, que necesitan energía para forzar al calor a moverse "en contra" de su dirección natural.
En los procesos espontáneos —como la mezcla de gases, el enfriamiento de un objeto caliente o la disolución de una sustancia— la entropía del sistema y su entorno aumenta. En cambio, si se quiere disminuir la entropía de una parte del sistema, es necesario aumentarla en otro lado aún más, por lo que la entropía total sigue creciendo.
Sistemas en equilibrio
La segunda ley se aplica principalmente a sistemas que están cerca o en estado de equilibrio termodinámico. En estos casos, se puede predecir la evolución del sistema basándose en los cambios de entropía. Si un proceso causa un aumento de entropía global, entonces es termodinámicamente permitido. Si no, el proceso es imposible.
Además, una menor producción de entropía en un proceso suele asociarse con mayor eficiencia energética. Esto es especialmente importante en la ingeniería química, la industria energética y otros campos tecnológicos.
Ejemplos de la segunda ley de la termodinámica
La segunda ley se manifiesta en muchos fenómenos cotidianos y naturales. Algunos ejemplos de la segunda ley claros incluyen:
1. Un gas comprimido que se expande
Si se abre una válvula que conecta un recipiente con gas comprimido a una zona de menor presión, el gas se expande de forma espontánea, aumentando su entropía. El proceso inverso (que el gas se vuelva a comprimir espontáneamente) no ocurre sin trabajo externo.
2. El calor siempre fluye de lo caliente a lo frío
Cuando se coloca un objeto caliente en contacto con otro más frío, el calor fluye del más caliente al más frío hasta alcanzar el equilibrio térmico. No se ha observado jamás que ocurra al revés sin aporte energético.
3. Una taza de café que se enfría
Al dejar una taza de café caliente sobre una mesa, el calor se transfiere al aire circundante. La taza se enfría, y ese calor se dispersa en el ambiente. El proceso contrario —que el café se caliente solo— es imposible sin intervención.
4. El funcionamiento de un refrigerador
El refrigerador extrae calor de su interior (más frío) y lo expulsa hacia el exterior (más caliente). Para lograr este "flujo invertido", necesita energía eléctrica que alimenta el compresor. Así se cumple la segunda ley: el orden se impone a costa de aumentar el desorden en el entorno.
5. La mezcla de líquidos o gases
Cuando se mezclan dos líquidos o gases inicialmente separados, lo hacen espontáneamente hasta alcanzar una distribución uniforme. La entropía aumenta, ya que el estado final es más desordenado que el inicial. No se separarán solos.
6. La combustión de un combustible
Cuando quemamos gasolina, se libera energía en forma de calor y gases que se dispersan. Aunque parte de esa energía puede transformarse en trabajo (por ejemplo, mover un coche), siempre habrá pérdidas térmicas. La eficiencia está limitada por la segunda ley.