(1) La transferencia espontánea de calor de un cuerpo frío a uno caliente es imposible. (2) Ningún motor puede convertir el calor en trabajo con una eficiencia del 100%. (3) En un sistema cerrado, la entropía no puede disminuir.
Los procesos naturales se caracterizan por la direccionalidad y la irreversibilidad, pero en la mayoría de las leyes descritas en este artículo; esto no se refleja, al menos no explícitamente. Romper huevos y hacer huevos revueltos no es difícil, pero es imposible recrear huevos crudos a partir de huevos revueltos listos para usar. El olor de un frasco de perfume abierto llena la habitación, pero no puedes volver a ponerlo en el frasco. Y la razón de tal irreversibilidad de los procesos que tienen lugar en el Universo radica en la segunda ley de la termodinámica; que a pesar de su aparente simplicidad, es una de las leyes más difíciles y a menudo incomprendidas de la física clásica.
En primer lugar, esta ley tiene al menos tres formulaciones iguales, propuestas en diferentes años por físicos de diferentes generaciones. Puede parecer que no tienen nada en común, pero todos son lógicamente equivalentes entre sí. De cualquier formulación del segundo principio, se derivan matemáticamente otros dos.
Primera Formulación de la Segunda Ley de la Termodinámica
Comencemos con la primera formulación del físico alemán Rudolf Clausius. Aquí ponemos una referencia de esta formulación: saque un cubito de hielo del refrigerador y colóquelo en el fregadero. Después de un tiempo, el cubo de hielo se derretirá porque el calor del cuerpo más caliente (aire) se transfiere al más frío (cubo de hielo). Desde el punto de vista de la ley de conservación de la energía; no hay ninguna razón para que la energía térmica se transfiera en esta dirección; incluso si el hielo se enfriará y el aire se calentará, la ley de conservación de la energía se seguiría cumpliendo. El hecho de que esto no suceda es indicativo precisamente de la dirección ya mencionada de los procesos físicos.
Por qué es así como interactúan el aire y el hielo, podemos explicarlo fácilmente considerando esta interacción a nivel molecular. De la teoría cinética molecular sabemos que la temperatura refleja la velocidad a la que se mueven las moléculas de un cuerpo; cuanto más rápido se mueven, mayor es la temperatura corporal. Esto significa que las moléculas de aire se mueven más rápido que las moléculas de agua en un cubo de hielo. Cuando una molécula de aire choca con una molécula de agua en la superficie del hielo; como nos dice la experiencia, las moléculas rápidas, en promedio se ralentizan y las lentas se aceleran. Así las moléculas de agua empiezan a moverse cada vez más rápido o, lo que es lo mismo, sube la temperatura del hielo. Esto es lo que queremos decir cuando decimos que el calor se transfiere del aire al hielo. Y en el marco de este modelo, la primera formulación de la segunda ley de la termodinámica se sigue lógicamente del comportamiento de las moléculas.
Cuando un cuerpo se mueve una cierta distancia bajo la acción de cierta fuerza; se realiza un trabajo y varias formas de energía simplemente expresan la capacidad del sistema para realizar un cierto trabajo. Dado que el calor, que refleja la energía cinética de las moléculas, es una forma de energía, también se puede convertir en trabajo. Pero de nuevo estamos ante un proceso dirigido. Puede convertir el trabajo en calor con una eficiencia del cien por cien; lo hace cada vez que pisa el pedal del freno en su automóvil: toda la energía cinética del movimiento de su automóvil; más la energía que gasta al presionar el pedal se convierte completamente en calor a través del trabajo de su pie y el sistema de freno hidráulico liberado en el proceso de fricción de las pastillas en los discos de freno. La segunda formulación de la segunda ley de la termodinámica establece que el proceso inverso es imposible. No importa cuánto intente convertir toda la energía térmica en trabajo, las pérdidas de calor al medio ambiente son inevitables.
Segunda Formulación de la Segunda Ley de la Termodinámica
No es difícil ilustrar la segunda formulación en acción. Imagínese el cilindro del motor de combustión interna de su automóvil. Se le inyecta una mezcla de combustible de alto octanaje, que se comprime mediante un pistón a alta presión; después de lo cual se enciende en un pequeño espacio entre la culata y un pistón de funcionamiento libre ajustado firmemente a las paredes del cilindro. Durante la combustión explosiva de la mezcla se libera una cantidad significativa de calor; en forma de productos de combustión incandescentes y en expansión, cuya presión empuja el pistón hacia abajo. En un mundo ideal, podríamos lograr la eficiencia de utilizar la energía térmica liberada al nivel del 100%; transfiriéndola por completo al funcionamiento mecánico del pistón.
La realidad es que nadie ensamblará jamás un motor tan ideal por dos razones. En primer lugar, las paredes del cilindro se calientan inevitablemente como resultado de la combustión de la mezcla de trabajo; parte del calor se pierde inactivo y se elimina a través del sistema de refrigeración al medio ambiente. Segundo lugar, parte del trabajo se destina inevitablemente a superar la fuerza de fricción; como resultado las paredes del cilindro se calientan, otra pérdida de calor (incluso con el mejor aceite de motor). En tercer lugar, el cilindro necesita volver al punto inicial de compresión; y este es también el trabajo para superar la fricción con la liberación de calor desperdiciado. Como resultado, tenemos lo que tenemos, a saber: los motores térmicos más avanzados funcionan con una eficiencia de no más del 50%.
Esta interpretación de la segunda ley de la termodinámica se basa en el principio de Carnot que lleva el nombre del ingeniero militar francés Sadi Carnot. Fue formulado antes que otros y tuvo un tremendo impacto en el desarrollo de la tecnología de ingeniería durante muchas generaciones, aunque es de naturaleza aplicada. Adquiere gran importancia desde el punto de vista de la energía moderna, la rama más importante de cualquier economía nacional.
Hoy en día, ante la escasez de recursos combustibles, la humanidad se ve obligada a soportar el hecho de que la eficiencia; por ejemplo, de las cogeneraciones que funcionan con carbón o fuel oil no supera el 30-35%, es decir, dos tercios del combustible se quema en vano, más precisamente. Se gasta para calentar la atmósfera, y esto es frente a la amenaza del calentamiento global. Es por eso que las plantas de cogeneración modernas son fácilmente reconocibles por sus colosales torres de enfriamiento; es en ellas donde se enfría el agua que enfría las turbinas de los generadores eléctricos, y el exceso de energía térmica se libera al medio ambiente.
Y una eficiencia tan baja en el uso de recursos no es una falla, sino una desgracia de los ingenieros de diseño modernos; ya están exprimiendo casi al máximo lo que permite el ciclo de Carnot. Aquellos que afirman haber encontrado una solución para reducir drásticamente la pérdida de energía por calor (diseñado máquina de movimiento perpetuo); por lo que afirman que han superado la segunda ley de la termodinámica. También podrían afirmar que saben cómo asegurarse de que el cubo de hielo en el fregadero no se derrita a temperatura ambiente; sino que, por el contrario, se enfríe aún más, mientras calienta el aire.
Tercera Formulación de la Segunda Ley de la Termodinámica
La tercera formulación de la segunda ley de la termodinámica, generalmente atribuida al físico austriaco Ludwig Boltzmann, es quizás la más conocida la Entropía. Es un indicador del desorden en el sistema. Cuanto mayor es la entropía, más caótico es el movimiento de las partículas materiales que componen el sistema. Boltzmann logró desarrollar una fórmula para una descripción matemática directa del grado de ordenamiento de un sistema. Veamos cómo funciona usando el agua como ejemplo. En estado líquido, el agua es una estructura bastante desordenada; ya que las moléculas se mueven libremente entre sí y su orientación espacial puede ser arbitraria.
El hielo es otro asunto: en él se ordenan las moléculas de agua, que se incluyen en la red cristalina. La formulación de la segunda ley de la termodinámica de Boltzmann, en términos relativos, establece que el hielo, una vez derretido y convertido en agua (un proceso acompañado de una disminución del grado de orden y un aumento de la entropía), nunca renacerá del agua por sí mismo. Es importante entender aquí que no estamos hablando del hecho de que en esta formulación la segunda ley de la termodinámica proclama que la entropía nunca puede disminuir en ningún lugar nunca.
Con el tiempo, el hielo derretido se puede volver a poner en el congelador y volver a congelar. El punto es que la entropía no puede disminuir en sistemas cerrados. Es decir, en sistemas que no reciben alimentación externa. Un refrigerador en funcionamiento no es un sistema cerrado aislado, ya que está conectado a la red eléctrica y recibe energía del exterior, en última instancia, de las centrales eléctricas que lo producen.
En este caso, un refrigerador, más cableado, más una subestación transformadora local; más una sola red de suministro de energía, más las plantas de energía serán un sistema cerrado. Y dado que el aumento de entropía debido a la evaporación aleatoria de las torres de enfriamiento de una planta de energía es muchas veces mayor que la disminución de entropía debido a la cristalización del hielo en su refrigerador, la segunda ley de la termodinámica no se altera de ninguna manera.
