La entropía y la segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica se puede enunciar cuantitativamente utilizando el concepto de entropía. La entropía es la medida del desorden del sistema.

La relación entre entropía y desorden se puede ilustrar con el ejemplo del cambio de fase del hielo en agua. En el hielo, las moléculas se encuentran en sitios específicos dando un estado sólido, mientras que, en forma líquida, estas moléculas son mucho más libres para moverse. Por lo tanto, la disposición molecular se ha vuelto más aleatoria. Aunque el cambio en la energía cinética promedio de las moléculas del depósito de calor es insignificante, hay una disminución significativa en la entropía del depósito porque tiene muchas más moléculas que el cubo de hielo derretido. Sin embargo, la disminución de la entropía del embalse todavía no es tan significativa como el aumento de la entropía del hielo. Así aumenta la entropía del universo.

La segunda ley de la termodinámica aclara que la entropía del universo nunca disminuye durante ningún proceso termodinámico. Cuando el proceso es reversible, el cambio de la entropía viene dado por ΔS = Q/T. Pero, ?qué pasa si la temperatura llega a cero kelvin? Resulta que la temperatura del cero absoluto no se puede alcanzar, al menos, no a través de un número finito de pasos de enfriamiento. Esta es una afirmación de la tercera ley de la termodinámica, cuya demostración requiere la mecánica cuántica.

La segunda ley de la termodinámica se puede enunciar a través de la cantidad física, la entropía. Afirma que en cualquier proceso irreversible, el universo se vuelve más desordenado.

Consideremos un gas ideal de 'n' moles que experimenta una expansión libre adiabática, que es un proceso irreversible. Dado que la entropía es una función de estado, su cambio durante este proceso se puede calcular considerando un proceso reversible con los mismos estados inicial y final.

Este proceso reversible se puede aproximar a una expansión isotérmica.

Se encuentra que el cambio de entropía total depende de la relación de los volúmenes del gas antes y después de la expansión. Aquí, 'n' es la cantidad de gas y R, la constante de gas.

Como el medio ambiente no intercambia calor con el gas, su entropía permanece constante. Por lo tanto, la entropía total del universo ha aumentado.

La condición de cada molécula de gas, descrita por su posición y velocidad, constituye el microestado.

Un mayor volumen de gas implica más posibilidades de estas coordenadas para cada molécula, por lo tanto, un sistema más desordenado. Así, la entropía cuantifica el desorden.