La segunda ley de la termodinámica es un principio de la termodinámica clásica que establece la irreversibilidad de muchos eventos termodinámicos, como el paso del calor de un cuerpo caliente a uno frío. A diferencia de otras leyes de la física como la ley de gravitación universal o las ecuaciones de Maxwell, el segundo principio está fundamentalmente vinculado a la flecha del tiempo.
El segundo principio de la termodinámica posee diversas formulaciones equivalentes, una de las cuales se basa en la introducción de una función de estado, la entropía: en este caso el segundo principio afirma que la' entropía de un sistema aislado lejos del equilibrio térmico tiende a aumentar con el tiempo hasta que se logre el equilibrio. En mecánica estadística, clásica y cuántica, la entropía se define a partir del volumen en el espacio de fase ocupado por el sistema para satisfacer automáticamente (por construcción) el segundo principio.
Formulaciones de la segunda ley de la termodinámica
Hay muchas formulaciones equivalentes de este principio. Aquellos que históricamente probaron ser los más importantes son:
«Es imposible realizar una transformación cuyo único resultado es transferir calor de un cuerpo más frío a uno más cálido sin la contribución del trabajo externo» (formulación de Clausius).
«Es imposible realizar una transformación cíclica cuyo único resultado es la transformación en el trabajo de todo el calor absorbido por una fuente homogénea» (formulación de Kelvin - Planck).
"Es imposible hacer una máquina térmica cuya eficiencia sea del 100%".
En la física moderna, sin embargo, la formulación más utilizada es la basada en la función de entropía:
«En un sistema aislado, la entropía es una función que no disminuye con el tiempo»
Este principio ha tenido un impacto significativo desde un punto de vista histórico. De hecho, implícitamente sanciona la imposibilidad de realizar el llamado movimiento perpetuo de la segunda especie y mediante la irreversibilidad de los procesos termodinámicos se define una flecha del tiempo.
Los dos principios de la termodinámica macroscópica también se aplican a los sistemas abiertos, y se generalizan a través de la exergía.
Equivalencia de las dos primeras declaraciones
La equivalencia de la oración de Kelvin-Planck y la de Clausius puede mostrarse mediante el siguiente argumento para el absurdo.
En lo que sigue, por razones de brevedad y claridad que se denotarán por Kelvin la proposición correspondiente enunciado Kelvin, con no Kelvin su negación, con Clausius la proposición correspondiente enunciado Clausius y con no Clausius su negación.
Kelvin implica Clausius
Esquematización de una máquina térmica basada en una máquina anti-Clausius, que viola la declaración de Kelvin
Supongamos que es absurdo que la afirmación de Clausius sea falsa, es decir, que exista una máquina refrigeradora cíclica capaz de transferir calor de una fuente fría a una caliente, sin la contribución del trabajo externo.
Sea Q la cantidad transferida para cada ciclo de la máquina desde la fuente fría a la caliente.
entonces podemos hacer un trabajo de la máquina térmica entre las dos fuentes, de tal manera que lo resta en cada ciclo una cantidad de calor Q 'de la fuente de calor, la transferencia a la cantidad fría Q A y convertir la diferencia Q' - Q en el trabajo.
La fuente fría entonces no sufre ninguna transferencia neta de calor y, por lo tanto, nuestro sistema de máquinas térmicas está extrayendo calor, globalmente, solo de la fuente caliente, produciendo exclusivamente trabajo, en violación de la formulación Kelvin-Planck del segundo principio.
Clausius implica Kelvin
Esquematización de una máquina térmica basada en una máquina anti-Kelvin, que viola la declaración de Clausius
Ahora supongamos que podemos convertir completamente el calor en trabajo, extraído por una máquina cíclica de una sola fuente S a temperatura constante.
Deje L ser tal trabajo extraído en un ciclo.
Entonces podemos tomar una segunda fuente S 'a una temperatura más alta y hacer funcionar una máquina refrigeradora entre las dos fuentes, que absorbe el trabajo producido por la otra máquina en cada ciclo.
Por lo tanto, hay una transferencia neta de calor desde la fuente fría S a la fuente caliente S ', en violación de la declaración de Clausius.
