Entalpía, entropía y la segunda ley de la termodinámica

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Ultima edición el 21 septiembre, 2023

La termodinámica es una rama de la física que estudia los procesos que involucran calor y trabajo. Entre sus leyes fundamentales se encuentran la primera y segunda ley de la termodinámica, que son de gran importancia en la comprensión de los sistemas termodinámicos y su comportamiento.

En este artículo, nos centraremos en la segunda ley de la termodinámica y en dos conceptos que están estrechamente relacionados con ella: la entalpía y la entropía. La entalpía es una medida de la energía que un sistema termodinámico puede liberar o absorber durante un proceso a presión constante, mientras que la entropía es una medida de la dispersión de la energía en un sistema.

La segunda ley de la termodinámica establece que, en un sistema aislado, la entropía siempre aumenta con el tiempo. Esto significa que la energía tiende a dispersarse cada vez más y que los procesos espontáneos son aquellos que aumentan la entropía del sistema.

A lo largo de este artículo, profundizaremos en cada uno de ellos y en su relación con los procesos termodinámicos.

Indice de contenidos

Conceptos básicos de entalpía y entropía

La termodinámica es una rama de la física que se encarga de estudiar las transformaciones de energía en sistemas físicos. Uno de los conceptos fundamentales de la termodinámica son la entalpía y la entropía.

Entalpía

La entalpía es una magnitud física que mide la cantidad de energía que un sistema termodinámico puede intercambiar con su entorno bajo condiciones constantes de presión. Se representa por la letra H y se expresa en unidades de energía, como julios o calorías.

La entalpía se define como la suma de la energía interna del sistema y el producto de la presión y el volumen del sistema. Se puede expresar matemáticamente como:

H = U + PV

  • U: es la energía interna del sistema.
  • P: es la presión del sistema.
  • V: es el volumen del sistema.

Por ejemplo, cuando se quema una vela, la entalpía del sistema aumenta debido a la liberación de energía en forma de calor y luz.

Entropía

La entropía es una medida del desorden o la falta de organización en un sistema. Se representa por la letra S y se expresa en unidades de energía divididas por temperatura, como julios por kelvin.

La entropía se define como la cantidad de energía que no se puede utilizar para realizar trabajo. Se puede expresar matemáticamente como:

S = Q/T

  • Q: es la cantidad de energía que se transfiere como calor.
  • T: es la temperatura del sistema.

Por ejemplo, cuando una taza de café caliente se enfría, la entropía del sistema aumenta debido a la dispersión de la energía térmica en el ambiente.

Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema aislado nunca disminuye, es decir, la tendencia natural de los sistemas es aumentar su entropía con el tiempo. Esto se conoce como el principio de la entropía. También establece que la energía siempre fluye de un sistema de mayor entalpía a uno de menor entalpía, en un intento por equilibrar los sistemas. Esto se conoce como la ley de la conservación de la energía.

La entalpía mide la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno bajo condiciones constantes de presión, mientras que la entropía mide el desorden o la falta de organización en un sistema. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema aislado nunca disminuye y que la energía siempre fluye de un sistema de mayor entalpía a uno de menor entalpía.

Aplicaciones de la entalpía y entropía

La entalpía y entropía son dos conceptos fundamentales en la termodinámica que tienen diversas aplicaciones en la vida cotidiana y en la industria. A continuación, se describen algunas de las aplicaciones más comunes.

Aplicaciones de la Entalpía

1. Diseño de procesos químicos

La entalpía es una medida de la energía térmica que se libera o se absorbe en una reacción química. Por lo tanto, es una herramienta esencial en el diseño de procesos químicos, ya que permite calcular la cantidad de energía que se necesita para llevar a cabo una reacción.

2. Medición de la capacidad calorífica de materiales

La entalpía también se utiliza para medir la capacidad calorífica de los materiales. Por ejemplo, en la construcción de edificios, es importante conocer la capacidad calorífica de los materiales utilizados para evitar la propagación del fuego.

3. Estudio de reacciones exotérmicas y endotérmicas

Las reacciones exotérmicas liberan energía en forma de calor, mientras que las endotérmicas requieren energía para llevarse a cabo. La entalpía se utiliza para estudiar estas reacciones y determinar si son exotérmicas o endotérmicas.

Aplicaciones de la Entropía

1. Estudio de la eficiencia energética

La entropía se utiliza para estudiar la eficiencia energética de los sistemas. Cuanto mayor sea la entropía, menor será la eficiencia energética del sistema. Por lo tanto, conocer la entropía de un sistema es esencial para mejorar su eficiencia energética.

2. Predicción de la espontaneidad de las reacciones

La entropía es una medida de la cantidad de desorden en un sistema. Por lo tanto, se utiliza para predecir la espontaneidad de las reacciones. Las reacciones que aumentan la entropía del sistema son espontáneas, mientras que las que disminuyen la entropía no lo son.

3. Estudio de la termodinámica de los procesos biológicos

La entropía también se utiliza en el estudio de la termodinámica de los procesos biológicos. Por ejemplo, se puede utilizar para determinar la eficiencia con la que las células utilizan la energía para realizar sus funciones.

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Conclusión

La entalpía y entropía son conceptos fundamentales en la termodinámica con diversas aplicaciones en la vida cotidiana y en la industria. Conocer su significado y cómo aplicarlos puede ayudar a mejorar la eficiencia energética de los sistemas y optimizar los procesos químicos y biológicos.

Distingue entre entalpía y entropía

La termodinámica es una rama de la física que se encarga del estudio de la energía y sus transformaciones. En este campo, dos conceptos fundamentales son la entalpía y la entropía, los cuales están estrechamente relacionados con la segunda ley de la termodinámica.

Entalpía

La entalpía (H) se define como la cantidad de energía que un sistema termodinámico intercambia con su entorno durante una transformación a presión constante. Es decir, es la suma de la energía interna del sistema y el trabajo que realiza sobre el entorno.

La entalpía se mide en unidades de energía, como julios o calorías. Es un estado de función extensiva, lo que significa que su valor depende de la cantidad de materia en el sistema. Además, se representa con una letra mayúscula H y se expresa en fórmulas como:

H = U + PV

Donde U es la energía interna del sistema, P es la presión y V es el volumen.

Entropía

La entropía (S) se define como la medida de la cantidad de energía que no puede ser utilizada para realizar trabajo en un sistema termodinámico. En otras palabras, es una medida del desorden o la aleatoriedad de un sistema.

La entropía se mide en unidades de energía por temperatura, como julios por Kelvin. Es un estado de función extensiva, lo que significa que su valor depende de la cantidad de materia en el sistema. Además, se representa con una letra mayúscula S y se expresa en fórmulas como:

S = Q/T

Donde Q es la cantidad de calor que se agrega al sistema y T es la temperatura a la cual se realiza la transferencia de calor.

Relación con la segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía del universo siempre aumenta en cualquier proceso termodinámico aislado. Esto significa que la energía tiende a dispersarse y el sistema se vuelve más desordenado.

La entalpía y la entropía están relacionadas con la segunda ley de la termodinámica, ya que la entalpía representa la energía útil de un sistema, mientras que la entropía representa la energía no útil o «desperdiciada». Por lo tanto, la entalpía y la entropía son dos formas de medir la energía y su transformación durante un proceso termodinámico.

La entalpía representa la energía útil de un sistema, mientras que la entropía representa la energía no útil o «desperdiciada».

Principios de la segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica es uno de los pilares fundamentales de la física y de la química. Esta ley establece que:

«En cualquier proceso termodinámico, la entropía total del sistema y del entorno siempre aumenta, es decir, la cantidad de energía que se puede utilizar para realizar trabajo disminuye con el tiempo.»

Principios de la segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica se basa en dos principios fundamentales:

  1. Principio de Clausius: «Es imposible construir un motor térmico que opere en un ciclo y que no produzca ningún otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo frío a uno caliente». Esto significa que el calor nunca fluye de manera espontánea de un cuerpo frío a uno caliente. Es decir, siempre se requiere la aplicación de energía adicional para que esto suceda.
  2. Principio de Kelvin-Planck: «Es imposible construir un motor térmico que opere en un ciclo y que extraiga energía térmica de un solo reservorio y la convierta por completo en trabajo mecánico». Esto significa que siempre habrá una pérdida de energía en forma de calor durante cualquier proceso termodinámico. Por lo tanto, nunca se puede obtener un rendimiento del 100% en un motor térmico.

De estos dos principios se deduce que la entropía de un sistema siempre aumenta con el tiempo. La entropía es una medida de la cantidad de energía que no se puede utilizar para realizar trabajo. A medida que la entropía aumenta, la cantidad de energía disponible para realizar trabajo disminuye.

Entalpía y entropía

La entalpía es una medida de la energía total de un sistema. Esta energía se puede utilizar para realizar trabajo. La entropía, por otro lado, es una medida de la cantidad de energía que no se puede utilizar para realizar trabajo. La entalpía y la entropía están relacionadas por la siguiente ecuación:

«∆H = T∆S»

donde ∆H es el cambio en entalpía, T es la temperatura absoluta y ∆S es el cambio en entropía.

Esta ecuación muestra que la entalpía y la entropía están relacionadas. A medida que la entropía aumenta, la cantidad de energía disponible para realizar trabajo disminuye. Por lo tanto, el cambio en entalpía también se ve afectado por el cambio en entropía.

Esto significa que la cantidad de energía que se puede utilizar para realizar trabajo disminuye con el tiempo. La entalpía y la entropía están relacionadas, y cualquier cambio en la entropía también afecta al cambio en entalpía.

Aplicación de la segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica es una de las leyes fundamentales de la física que se aplica en diversos ámbitos de la ciencia y la tecnología. Esta ley establece que la entropía de un sistema aislado tiende a aumentar con el tiempo y que la energía no se puede transformar completamente en trabajo útil. En este artículo, veremos cómo se aplica la segunda ley de la termodinámica en relación a la entalpía, la entropía y otros conceptos relacionados.

Entalpía

La entalpía es una función termodinámica que describe la energía interna de un sistema más la energía que se intercambia con el entorno en forma de trabajo. La segunda ley de la termodinámica se aplica en la entalpía de la siguiente manera:

  • En un proceso a presión constante, el cambio de entalpía es igual al calor que se libera o se absorbe en el proceso, según la ley de Hess.
  • En un proceso a volumen constante, el cambio de entalpía es igual al cambio de energía interna del sistema debido a que no se intercambia energía en forma de trabajo con el entorno.
  • La entalpía de un sistema a temperatura y presión constantes es una función de estado, lo que significa que su valor depende únicamente del estado termodinámico del sistema.

Entropía

La entropía es una medida de la cantidad de desorden o aleatoriedad presente en un sistema. La segunda ley de la termodinámica se aplica en la entropía de la siguiente manera:

  • La entropía de un sistema aislado tiende a aumentar con el tiempo, lo que se conoce como el segundo principio de la termodinámica.
  • En un proceso irreversible, la entropía del sistema y del entorno aumenta.
  • La entropía de un sistema puede disminuir localmente, pero solo si se produce un aumento mayor en la entropía del entorno.
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Otras aplicaciones de la segunda ley de la termodinámica

Además de la entalpía y la entropía, la segunda ley de la termodinámica se aplica en muchos otros campos de la ciencia y la tecnología. Algunas de estas aplicaciones incluyen:

  • El diseño de motores térmicos y sistemas de refrigeración.
  • La predicción de la dirección de las reacciones químicas.
  • La optimización de procesos industriales para maximizar la eficiencia energética.
  • La explicación de por qué los procesos naturales tienden a ir en una dirección determinada, como la descomposición de la materia orgánica.

Conclusiones

Comprender y aplicar esta ley es esencial para comprender cómo funcionan los procesos naturales y artificiales en nuestro mundo.

Procesos que cumplen la segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía del universo siempre aumenta en cualquier proceso irreversible. Esto significa que existen procesos que cumplen con esta ley y otros que no.

Procesos que cumplen la segunda ley de la termodinámica:

  • La combustión de un combustible fósil en un motor de combustión interna.
  • La transferencia de calor desde un objeto caliente a uno frío.
  • La expansión de un gas que realiza trabajo en un pistón.
  • La disolución de un sólido en un líquido.

En estos procesos, la entropía del universo siempre aumenta porque hay una dispersión de energía y una pérdida de capacidad para realizar trabajo útil. Por ejemplo, en la combustión de un combustible fósil, la energía química es liberada y dispersada en forma de calor y gases de escape, lo que no puede ser completamente recuperado para realizar trabajo útil.

En la transferencia de calor desde un objeto caliente a uno frío, la energía térmica fluye naturalmente de la fuente caliente a la fría, lo que no se puede revertir sin la aplicación de trabajo externo.

En la expansión de un gas que realiza trabajo en un pistón, la energía potencial del gas disminuye, lo que resulta en una pérdida de capacidad para realizar trabajo útil.

En la disolución de un sólido en un líquido, la energía potencial química del sólido se dispersa en el líquido, lo que resulta en un aumento de la entropía.

Por lo tanto, es importante entender cómo los procesos cumplen esta ley para poder diseñar sistemas eficientes y sostenibles.

Estados de equilibrio de la segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica establece que en cualquier proceso espontáneo, la entropía total del universo siempre aumenta. Esto significa que los sistemas tienden a alcanzar estados de equilibrio en los que la entropía es máxima. Pero, ¿qué son exactamente estos estados de equilibrio?

Equilibrio termodinámico

El equilibrio termodinámico se da cuando no hay cambios en las propiedades termodinámicas de un sistema con el tiempo. Es decir, todas las variables del sistema se mantienen constantes y no hay ninguna fuerza neta operando en él. En este estado de equilibrio, la entropía alcanza su máximo valor y cualquier cambio o perturbación externa al sistema provocará un aumento en la entropía total del universo.

Equilibrio térmico

El equilibrio térmico se da cuando dos sistemas que están en contacto térmico comparten la misma temperatura. En este estado, no hay transferencia neta de calor entre los sistemas y se alcanza una distribución de la energía térmica en equilibrio.

Equilibrio mecánico

El equilibrio mecánico se da cuando la presión en un sistema es la misma en todas las direcciones. Esto significa que no hay fuerzas neta operando en el sistema y las fuerzas de presión se equilibran en todas las direcciones.

Equilibrio químico

El equilibrio químico se da cuando la tasa de reacción en una reacción química es la misma en ambas direcciones. En este estado, no hay una reacción neta que altere las concentraciones de los reactivos y productos.

Equilibrio de fase

El equilibrio de fase se da cuando dos fases de un material coexisten en un estado de equilibrio. En este estado, la energía libre es la misma en ambas fases y no hay cambios netos en la cantidad de material en cada fase.

El equilibrio termodinámico, térmico, mecánico, químico y de fase son los estados más comunes que se alcanzan en la naturaleza y son fundamentales para entender la segunda ley de la termodinámica.

Estados de equilibrio de la segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica establece que en cualquier proceso espontáneo, la entropía total del universo siempre aumenta. Esto significa que los sistemas tienden a alcanzar estados de equilibrio en los que la entropía es máxima. Pero, ¿qué son exactamente estos estados de equilibrio?

Equilibrio termodinámico

El equilibrio termodinámico se da cuando no hay cambios en las propiedades termodinámicas de un sistema con el tiempo. Es decir, todas las variables del sistema se mantienen constantes y no hay ninguna fuerza neta operando en él. En este estado de equilibrio, la entropía alcanza su máximo valor y cualquier cambio o perturbación externa al sistema provocará un aumento en la entropía total del universo.

Equilibrio térmico

El equilibrio térmico se da cuando dos sistemas que están en contacto térmico comparten la misma temperatura. En este estado, no hay transferencia neta de calor entre los sistemas y se alcanza una distribución de la energía térmica en equilibrio.

Equilibrio mecánico

El equilibrio mecánico se da cuando la presión en un sistema es la misma en todas las direcciones. Esto significa que no hay fuerzas neta operando en el sistema y las fuerzas de presión se equilibran en todas las direcciones.

Equilibrio químico

El equilibrio químico se da cuando la tasa de reacción en una reacción química es la misma en ambas direcciones. En este estado, no hay una reacción neta que altere las concentraciones de los reactivos y productos.

Equilibrio de fase

El equilibrio de fase se da cuando dos fases de un material coexisten en un estado de equilibrio. En este estado, la energía libre es la misma en ambas fases y no hay cambios netos en la cantidad de material en cada fase.

El equilibrio termodinámico, térmico, mecánico, químico y de fase son los estados más comunes que se alcanzan en la naturaleza y son fundamentales para entender la segunda ley de la termodinámica.

Relación entre entalpía, entropía y la segunda ley de la termodinámica

La termodinámica es la rama de la física que estudia los procesos de transferencia de energía en forma de calor y trabajo. La entalpía y la entropía son dos conceptos fundamentales en termodinámica. La entalpía es una medida de la energía total en un sistema, mientras que la entropía es una medida del grado de desorden en un sistema.

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Entalpía

La entalpía (H) es una función termodinámica que mide la cantidad de energía de un sistema que puede ser transferida como calor a su entorno. La entalpía se define como la suma de la energía interna (U) y el producto de la presión (P) y el volumen (V) del sistema:

H = U + PV

La entalpía se expresa en julios (J) o en kilojulios (kJ).

Entropía

La entropía (S) es una medida del grado de desorden o aleatoriedad de un sistema. La entropía se define como el cambio de calor (Q) dividido por la temperatura (T):

S = Q/T

La entropía se expresa en joules por kelvin (J/K).

Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema aislado siempre aumenta con el tiempo. Esto significa que los sistemas tienden a un estado de mayor desorden y menos energía disponible.

Un ejemplo común de la segunda ley de la termodinámica es un vaso de agua caliente que se enfría con el tiempo. El agua caliente tiene una entropía más baja (menos desorden) que el agua fría. A medida que el agua caliente se enfría, su entropía aumenta y se acerca al estado de equilibrio con el entorno (el aire más frío).

Relación entre entalpía, entropía y la segunda ley de la termodinámica

La relación entre entalpía, entropía y la segunda ley de la termodinámica se puede entender de la siguiente manera:

  • La entalpía representa la cantidad total de energía en un sistema.
  • La entropía representa la cantidad de energía disponible para hacer trabajo.
  • La segunda ley de la termodinámica establece que la energía disponible para hacer trabajo siempre disminuye con el tiempo.

Por lo tanto, a medida que la entropía aumenta, la cantidad de energía disponible para hacer trabajo disminuye, lo que se refleja en un aumento en la entalpía del sistema.

Efectos de la segunda ley de la termodinámica en la energía

La segunda ley de la termodinámica es una de las leyes fundamentales de la física que describe cómo la energía se transforma y se mueve en el universo. Esta ley tiene importantes efectos en la energía y en los procesos que la utilizan. A continuación, detallaremos algunos de los efectos más importantes:

Entropía

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía (el desorden o la falta de energía útil) de un sistema cerrado siempre aumenta con el tiempo. En otras palabras, la energía tiende a dispersarse y a perderse en forma de calor y otras formas de energía no utilizables. Esto significa que cualquier proceso que involucre la transferencia de energía también implicará una pérdida de energía en forma de entropía.

Por ejemplo, cuando quemamos combustibles fósiles para generar energía, se libera calor y se convierte en energía eléctrica. Sin embargo, este proceso también genera una gran cantidad de entropía en forma de gases de escape y calor residual que no podemos utilizar.

Entalpía

La entalpía es una medida de la cantidad total de energía de un sistema, incluyendo tanto la energía útil como la energía no útil (como la entropía). La segunda ley de la termodinámica establece que la entalpía de un sistema cerrado siempre disminuye con el tiempo.

Por ejemplo, si dejamos un objeto caliente en una habitación fría, la energía térmica se transferirá del objeto caliente al aire frío, lo que provocará una disminución en la entalpía del sistema en su conjunto.

Procesos reversibles e irreversibles

La segunda ley de la termodinámica también establece que los procesos naturales siempre tienden a ser irreversibles, lo que significa que no se pueden deshacer. Esto se debe a que cualquier proceso que implica la transferencia de energía también implica una pérdida de energía útil en forma de entropía.

Los procesos reversibles, en los que se puede recuperar toda la energía útil, son teóricamente posibles pero extremadamente difíciles de lograr en la práctica. Por ejemplo, una bomba de calor puede transferir calor de una fuente fría a una fuente caliente, pero solo si se utiliza una gran cantidad de energía para hacerlo.

Conclusión

Estos efectos incluyen la pérdida de energía útil en forma de entropía, la disminución de la entalpía de un sistema cerrado con el tiempo y la dificultad para lograr procesos reversibles. Es importante tener en cuenta estos efectos al diseñar sistemas de energía y al considerar el uso de diferentes fuentes de energía.

En conclusión, la segunda ley de la termodinámica es una de las leyes fundamentales de la física que nos permite entender el comportamiento de la materia y la energía en el universo. La entalpía y la entropía son conceptos clave para entender esta ley y su aplicación en diversos procesos físicos y químicos. Comprender la relación entre entalpía y entropía nos ayuda a entender la dirección de los procesos químicos y físicos y a predecir su espontaneidad. En resumen, la segunda ley de la termodinámica es una ley universal que se aplica a todos los procesos en el universo, desde la formación de estrellas hasta la respiración celular en nuestro cuerpo.

En resumen, la entalpía y la entropía son dos conceptos clave en la termodinámica, que nos permiten entender cómo fluye la energía en los procesos físicos y químicos. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema aislado siempre aumenta, lo que significa que la energía tiende a dispersarse y a distribuirse de manera más uniforme. Esta ley tiene importantes implicaciones en muchas áreas de la física, la química y la biología, y nos ayuda a entender por qué algunas cosas son más eficientes que otras y por qué algunos procesos son irreversibles. En resumen, la termodinámica es una herramienta fundamental para entender cómo funciona el universo a nivel macroscópico, y la entalpía, la entropía y la segunda ley son conceptos clave que nos ayudan a desentrañar sus secretos.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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