Grandes resultados de la Física: La entropía II

Continuando con el hilo que empecé hace tiempo, hoy querría centrarme en las consecuencias más inmediatas. Empecemos por fijar ideas:

Permitir la conexión entre dos estados de equilibrio dio lugar al primer principio (el de el equilibrio termodinámico). Invertir esa conexión para formar un ciclo, al segundo principio. De entre todas las inversiones, cabe destacar aquella que recorre el mismo camino de ida, pero en sentido contrario. No se realiza entonces un ciclo, si no que se retorna a la situación inicial. En termodinámica, para que esto ocurra, es necesario realizar una doble idealización:

La primera, eliminando las imperfecciones debidas a la construcción o funcionamiento de los sistemas. La segunda, considerando todos los procesos infinitamente lentos, con lo que toda perturbación externa tiene tiempo para relajarse internamente; consiguiendo así una sucesión de estados de equilibrio intrínseco del sistema (se espera a que el sistema "se relaje"). Básicamente, de esto iba el post al que hago referencia.

Pues bien, definimos entonces un proceso reversible como aquel que tiene lugar de tal modo que, al finalizar el mismo (o en cualquiera de sus puntos) el sistema puede ser reintegrado a su estado inicial sin ocasionar cambios en el universo. Aquellos procesos que no cumplen esta definición (todos los reales) son procesos irreversibles. Por ejemplo:

1. Procesos mecánicos. El rozamiento de un líquido al agitarse, la exacción de un gas contra el vacío,…

2. Procesos térmicos. La relajación hacia el equilibrio de un sistema aislado al tratar de igualar la temperatura mediante flujos de calor.

3. Procesos másicos. Disoluciones.

La reversibilidad implica:

1. Condiciones mecánicas. Procesos cuasiestáticos.

2. Condiciones térmicas. Equilibrio mutuo.

3. Condiciones másicas. Sistemas de igual composición.

Esto quiere decir, básicamente, que podemos transformar todo el trabajo (fuerza ejercida por unidad de distancia) en calor, pero no al revés. Por eso podemos frenar una bici, perdiendo el trabajo de avance y calentando en el proceso los frenos... pero no es posible el proceso inverso: calentar los frenos y hacer que la bici se mueva. El invento de la máquina de vapor es una forma de transformar calor en trabajo mecánico, pero la transferencia de energía calorífica a energía mecánica no puede ser (por todo lo anterior) perfecta en un caso real. Aquí os dejo un pequeño esquema de las máquinas posibles (Q=calor, W=trabajo mecánico, T=temperatura).

Tras todo esto, se define por tanto una magnitud, la entropía, que dará cuenta del calor disipado por unidad de temperatura y que será, por tanto, mayor o igual que cero (en el mejor de los casos). Los físicos decimos que esta magnitud mide "el desorden" del sistema, ya que los sistemas físicos tienden a estados de mínima energía y máxima entropía.

Un ejemplo fue el que le puse a mi mujer hace unas semanas: supongamos que tengo una taza de café sobre una mesa. La taza puede caer de la mesa, romperse y el café enfriarse... ¡pero no es posible el proceso inverso!

Si estáis interesados en las máquinas que son posibles, la naturaleza de la entropía, los procesos físicos reales e ideales y toda la maquinaria que implica el segundo principio, he encontrado una página muy didáctica con un programa interactivo para jugar un rato. Además, desarrolla estas ideas con unas matemáticas que me he ahorrado aquí.