Segunda ley de la termodinámica: entropía y sistemas

Segunda ley de la termodinámica: ley de la entropía

¿Alguna vez te has preguntado cómo llegó a existir el universo? La teoría del Big Bang nos dice que el universo comenzó cuando una cantidad infinita de energía explotó y comenzó a extenderse por el universo tal como lo conocemos hoy. Muy bien, eso es genial, pero ¿qué es la energía? La energía es simplemente la capacidad de trabajar, y el trabajo es el movimiento de algo mediante alguna fuerza.

Al principio de los tiempos, toda la energía del universo estaba contenida en una única ubicación relativamente pequeña. Esta intensa concentración de energía representó una cantidad masiva de lo que llamamos energía potencial , donde la energía potencial es energía almacenada debido a su ubicación o posición, y ahora es igual a la cantidad total de energía en el universo actual. A medida que pasa el tiempo, la energía se ha extendido por la vasta extensión de nuestro universo.

En una escala mucho menor, un depósito de agua retenido por una presa contiene energía potencial, ya que su ubicación le da el potencial de fluir sobre la presa. En cada caso, la energía almacenada, una vez liberada, se esparce y lo hace sin ningún esfuerzo o fuerza aplicada. En otras palabras, la liberación de energía potencial es un proceso espontáneo . Un proceso espontáneo es simplemente un proceso que ocurre sin la necesidad de energía adicional. Otra forma de decirlo es que sucede automáticamente una vez que le das una pequeña patada. A medida que la energía se propaga, parte de ella se convierte en energía utilizable y hace el trabajo que necesitamos. El resto de la energía se convierte en energía inutilizable, simplemente denominada calor .

A medida que nuestro universo continúa expandiéndose, contiene cada vez menos energía útil. Como se dispone de menos energía útil, se puede hacer menos trabajo. A medida que el agua fluye sobre una presa, también contiene menos energía útil. Esta disminución de la energía útil a lo largo del tiempo se conoce como entropía , donde la entropía es la cantidad de energía inutilizable en un sistema y un sistema es simplemente una colección de objetos que forman un todo.

La entropía también puede denominarse la cantidad de aleatoriedad o caos en una organización sin sistema. A medida que la energía utilizable disminuye con el tiempo, aumentan la desorganización y el caos. Por lo tanto, a medida que se libera la energía potencial almacenada, no toda ella se convierte en energía utilizable. Todos los sistemas experimentan este aumento de entropía con el tiempo. Esto es muy importante de entender, y este fenómeno se conoce como la segunda ley de la termodinámica .

Como habrás adivinado, la segunda ley de la termodinámica sigue la primera ley de la termodinámica , que comúnmente se conoce como la ley de conservación de energía , y establece que la energía no se puede crear y no se puede destruir. En otras palabras, la cantidad de energía en el universo, o en cualquier sistema, es constante. La segunda ley de la termodinámica se conoce comúnmente como la ley de la entropía y sostiene que la energía se vuelve menos utilizable con el tiempo. Por lo tanto, mientras que la cantidad de energía, basada en la primera ley, permanece igual, la calidad de la energía disminuye con el tiempo, según la segunda ley.

Aplicación de la segunda ley de la termodinámica

¿Cómo nos ayuda comprender la segunda ley de la termodinámica? Las implicaciones de la segunda ley de la termodinámica son tan extensas como los límites de nuestro universo. El universo pierde constantemente energía utilizable y se vuelve más caótico, menos organizado. Esto sugeriría que el universo no es eterno sino que tiene un final, tanto en el espacio como en el tiempo.

A un nivel mucho más pequeño, los resortes de un reloj viejo deben estar enrollados para que el reloj haga tictac y toque. Los resortes enrollados contienen una gran cantidad de energía potencial almacenada, y esa energía se usa con el tiempo para hacer que el reloj funcione; eso es lo que mueve las manecillas del reloj. Sin embargo, no toda la energía potencial se convierte en energía utilizable. Parte de esa energía se pierde en forma de calor ; el calor es energía inutilizable. Si no hay nadie disponible para darle cuerda al reloj, no podrá volver a realizar ningún trabajo.

Consideremos ahora un ejemplo biológico. Nuestros cuerpos son sistemas. Mientras podamos consumir energía, nuestros cuerpos pueden hacer el trabajo necesario para sobrevivir y reproducirse. Sin embargo, con el tiempo, nuestros cuerpos se vuelven menos organizados y más caóticos. La estructura y la función eventualmente dan paso a la entropía. Nadie vive para siempre y, al igual que el universo, nuestras vidas tienen un final.

Sin embargo, los científicos están investigando constantemente formas de ralentizar la entropía, tanto en sistemas naturales como artificiales. Un buen ejemplo de ello es el motor de combustión interna que hace que nuestros automóviles se muevan. Son mucho más eficientes ahora de lo que eran cuando se inventaron.

Resumen de la lección

La primera ley de la termodinámica nos recuerda que la cantidad de energía en un sistema es constante. Ha sido lo mismo desde el principio de los tiempos. La energía se puede cambiar de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir. Esa es la primera ley.

La segunda ley de la termodinámica nos dice que la entropía aumenta en un sistema a medida que la energía potencial se convierte en energía utilizable para el trabajo. En otras palabras, todos los sistemas, tanto naturales como artificiales, eventualmente se desmoronarán.

Los resultados del aprendizaje

Después de ver esta lección, debería poder:

• Definir energía potencial, proceso espontáneo y entropía.
• Describe la segunda ley de la termodinámica.
• Discutir las implicaciones de la segunda ley de la termodinámica para nosotros y el universo.