SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

PROCESOS ESPONTÁNEOS

 
 

El Primer Principio de la Termodinámica es una verdadera ley física que ha sido comprobada experimentalmente en multitud de ocasiones. La conservación de la energía nunca se incumple.

A pesar de ello el Primer Principio no es una descripción completa de los procesos de intercambio o conversión de energía. Por ejemplo, el Primer Principio no impide que al poner en contacto dos cuerpos con distinta temperatura, la energía pase desde el cuerpo frio al caliente. Si así ocurriera, la energía interna del caliente aumentaría y la del frio disminuiría. Sin embargo, ese proceso, posible según el Primer Principio, no se observa en la naturaleza.

Si dos bloques metálicos a distinta temperatura se ponen contacto, el calor fluye espontáneamente desde el caliente al frío hasta que se alcance la temperatura de equilibrio

Necesitamos una ley que explique el sentido en el que se producen las transferencia de energía térmica que complemente la conservación de energía expresada en el Primer Principio.

 

INDICE

- ¿Qué es la Termoquímica?

- Calor y trabajo

- Energía Interna

- Primer Principio Termodinámica

- Calor a volumen y a presión constantes

- Entalpía estándar de reacción

- Procesos Espontáneos

- Procesos reversibles.

- Máquinas térmicas. Ciclo Carnot

- Entropía. Segundo Principio Termodinámica

- Cambios de Entropía

- Entropía. Boltzmann

- Entropía absoluta. Tercer Principio de la Termodinámica

- Espontaneidad reacciones químicas. Entropía

- Espontaneidad reacciones químicas. Energía Libre Gibbs

- Balance energético pila combustible

- Caracterización funciones termodinámicas

El paso de calor de un cuerpo caliente a otro frio es un caso particular de lo que se denominan procesos espontáneos

PROCESO ESPONTÁNEO es aquel que una vez iniciado, procede hasta el final sin ninguna intervención externa.

 

Si deja un trozo de hierro en contacto con el aire húmedo, al cabo de un tiempo se habrá cubierto de una capa de óxido de hierro.

La formación de óxido de hierro a partir del hierro de la cadena, y el oxígeno y el agua disponibles en la atmósfera es un proceso espontaneo

La mezcla de gases es un proceso espontáneo.

¿QUÉ CONTROLA EL SENTIDO EN QUE OCURRE UN PROCESO ESPONTÁNEO?

Los procesos a nivel microscópico son reversibles en el tiempo. Si pudiéramos filmar una película de los choques de las moléculas de un gas, cuando se proyectara sería imposible saber si la secuencia de imágenes se ha realizado en un sentido o en otro. En ambos casos se cumple el Primer Principio.

Sin embargo, en los procesos macroscópicos no ocurre eso. Por ejemplo, si proyectamos una secuencia de la mezcla de agua y tinta sabríamos si la película avanza en un sentido u otro. El fenómeno observado en la naturaleza es el de la difusión de la tinta. Nunca ocurre que una mezcla de tinta y agua se separe en ambos componentes de manera espontánea.

Otro ejemplo de proceso espontáneo (que solo ocurre en un sentido) es el de la rotura de una taza que cae al impactar con el suelo.

Tanto la caída y ruptura de la taza como su recomposición y elevación permiten la conservación de la energía. Sin embargo, solo se observa la primera parte.

Al caer y romperse, la energía de la taza se ha transformado en energía térmica que ha elevado la temperatura del suelo y de los trozos de cerámica. La cantidad de energía se ha mantenido constante.

Al recomponerse y elevarse la taza a costa del enfriamiento del suelo y de la propia cerámica, la energía también se mantiene constante.

Ninguno de los dos procesos contraviene el Primer Principio de la Termodinámica. Necesitamos una nueva ley que nos indique en qué sentido ocurren los procesos espontáneos.

SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

A mitad del siglo XIX, Clausius introdujo una nueva magnitud termodinámica denominada Entropía que permitía deducir el sentido espontáneo de los fenómenos naturales.

Aunque no es una asociación precisa, para entender el significado de la entropía la podemos asociar con el desorden. Si en un sistema aumenta la entropía, en él estaría aumentando el desorden.

De acuerdo con Clausius:

EN UN SISTEMA AISLADO LOS PROCESOS ESPONTÁNEOS OCURREN CON UN AUMENTO DE LA ENTROPÍA. CUANDO ALCANZA EL VALOR MÁXIMO SE MANTIENE CONSTANTE (SISTEMA EN EQUILIBRIO)

Si el sistema intercambia energía con el entorno, se puede expresar de la siguiente manera:

EN UN SISTEMA NO AISLADO LA ENTROPÍA PUEDE AUMENTAR O DISMINUIR, PERO SI EL PROCESO QUE SUFRE ES ESPONTÁNEO LA SUMA DE LOS CAMBIOS DE ENTROPÍA DEL SISTEMA Y DEL ENTORNO (UNIVERSO) SIEMPRE ES POSITIVA.

Dicho de otra forma:

EN UN PROCESO ESPONTÁNEO LA ENTROPÍA DEL UNIVERSO SIEMPRE AUMENTA.

En el caso de la taza, cuando cayó e impactó con el suelo la entropía aumentó en el universo. La energía potencial de la taza (concentrada) se ha repartido entre las moléculas que forman los trozos de cerámica y el suelo. En el estado final, la energía está más distribuida (más desordenada) que en el inicial, por eso ha aumentado la entropía.

Como se ha indicado, es habitual asociar entropía y desorden, pero no es recomendable. Como veremos, en los sistemas moleculares hay una opción mejor que atender al desorden. En ellos el sentido de los cambios espontáneos es aquel que da como resultado la mayor difusión y distribución de la energía térmica entre los microestados accesibles del sistema, es decir, la entropía.

 

Muy importante: El segundo Principio de la Termodinámica no es una ley física en el sentido que lo es el Primer Principio. Sabemos que el Segundo Principio es una ley estadística. Puede incumplirse en ciertos casos, pero si el número de eventos al que hace referencia es suficientemente grande puede afirmarse con mucha seguridad que se va a cumplir.

La probabilidad de que una mezcla de agua y tinta se separe en sus componentes es extremadamente baja, pero podría ocurrir.

LA FLECHA DEL TIEMPO

La entropía sirve para establecer la flecha del tiempo. Percibimos que el tiempo pasa en el sentido en que aumenta la entropía. Como veremos, es un sistema aislado cualquier suceso que ocurra ha de aumentar la entropía del universo.