El segundu principiu de la termodinámica (tamién conocíu como segunda llei de la termodinámica,N'español (como en francés), a diferencia del inglés —por casu, First law of thermodynamics—, úsase la pallabra «principiu» pa designar lleis naturales que nun pueden demostrase explícitamente, sicasí pueden midise y cuantificar reparando los resultaos que producen.) espresa que:
El principiu establez la irreversibilidad de los fenómenos físicos, especialmente mientres l'intercambiu de calor. Ye un principiu de la evolución que foi enunciáu per primer vegada por Sadi Carnot en 1824. Dempués foi oxetu de numberoses xeneralizaciones y formulaciones socesives por Clapeyron (1834), Clausius (1850), lord Kelvin, Ludwig Boltzmann en 1873 y Max Planck (vease la hestoria de la termodinámica y la mecánica estadística), a lo llargo del sieglu XIX y hasta'l presente.
El segundu principiu introduz la función d'estáu entropía , polo xeneral asimilada a la noción de desorde que nun puede más que crecer nel cursu d'una tresformamientu termodinámicu real.
Introducción
Ye una de les lleis más importantes de la física; entá pudiéndose formular de munches maneres toes lleven a la esplicación del conceutu d'irreversibilidad y al d'entropía. Esti últimu conceutu, cuando ye tratáu por otres cañes de la física, sobre manera pola mecánica estadística y la teoría de la información, queda amestáu al grau de desorde de la materia y la enerxía d'un sistema. La termodinámica, pela so parte, nun ufierta una esplicación física de la entropía, que queda acomuñada a la cantidá d'enerxía non aplicable d'un sistema. Sicasí, esta interpretación puramente fenomenológica de la entropía ye totalmente consistente coles sos interpretaciones estadístiques. Asina, va tener más entropía l'agua n'estáu gaseosu coles sos molécules esvalixáu y alloñar unes de les otres que la mesma n'estáu líquidu coles sos molécules más xuntes y más ordenaes.
El primer principiu de la termodinámica dictamina que la materia y la enerxía non pueden crease nin destruyir, sinón que se tresformen, y establez el sentíu nel que se produz dicha tresformamientu. Sicasí, el puntu capital del segundu principiu ye que, como asocede con tola teoría termodinámica, refierse única y puramente a estaos d'equilibriu. Toa definición, corolariu o conceutu que d'él s'estrayiga solo va poder aplicase a estaos d'equilibriu, polo que, formalmente, parámetros tales como la temperatura o la mesma entropía van quedar definíos namái pa estaos d'equilibriu. Asina, según el segundu principiu, cuando se tien un sistema que pasa d'un estáu d'equilibriu A a otru B, la cantidá d'entropía nel estáu d'equilibriu B va ser la máxima posible, ya inevitablemente mayor a la del estáu d'equilibriu A. Evidentemente, el sistema solo va faer trabayu cuando tea nel tránsitu del estáu d'equilibriu A al B y non cuando s'atope nún d'estos estaos. Sicasí, si'l sistema yera aislláu, la so enerxía y cantidá de materia nun pudieron variar; si la entropía debe de maximizarse en cada transición d'un estáu d'equilibriu a otru, y el desorde internu del sistema tien d'aumentar, vese claramente una llende natural: cada vez va costar más estrayer la mesma cantidá de trabayu, pos según la mecánica estadística el desorde equivalente tien d'aumentar exponencialmente.
Aplicáu esti conceutu a un fenómenu de la naturaleza como por casu la vida de les estrelles, les mesmes, al convertir l'hidróxenu, el so combustible principal, en heliu xeneren lluz y calor. Al fundir los nucleos d'hidróxenu nel so interior la estrella llibera la enerxía abonda pa producilos a esa intensidá; sicasí, cuando intenta fundir los nucleos d'Heliu nun consigue lliberar la mesma cantidá d'enerxía que llograba cuando fundía los nucleos d'hidróxenu. Cada vez que la estrella funde los nucleos d'un elementu llogra otru que-y ye más inútil pa llograr enerxía y per ende la estrella muerre, y nesi orde d'idees la materia que dexa tras yá nun va sirvir pa xenerar otra estrella. Ye según el segundu principiu de la termodinámica utilizóse pa esplicar el fin del universu.
Definición axomática
La definición formal del segundu principiu de la termodinámica establez que:
La entropía d'un sistema ye una magnitú física astracta que la mecánica estadística identifica col grau de desorde molecular internu d'un sistema físicu. La termodinámica clásica, sicasí, definir como la rellación ente'l calor tresmitíu y la temperatura a la que se tresmite. La termodinámica axomática define a la entropía como una cierta función —a priori, de forma desconocida—, que depende de los llamaos "parámetros carauterísticos" del sistema, y que solo puede definise pa los estaos d'equilibriu del sistema.
Dichos parámetros carauterísticos establecer a partir d'un postuláu deriváu del primer principiu de la termodinámica, llamáu dacuando'l principiu d'estáu. Según ésti, l'estáu d'equilibriu d'un sistema queda totalmente definíu per mediu de la enerxía interno del sistema, el so volume y el so composición molar. Cualesquier otru parámetru termodinámicu, como podríen selo la temperatura o la presión, defínese como una función de dichos parámetros. Asina, la entropía va ser tamién una función de dichos parámetros.
El segundu principiu de la termodinámica establez que dicha entropía solo puede definise pa estaos d'equilibriu termodinámicu, y que d'ente tolos estaos d'equilibriu posibles –que van venir definíos polos parámetros carauterísticos–, solo puede dase el que, d'ente toos ellos, maximiza la entropía.
Les consecuencies d'esti enunciáu son sutiles: al considerar un sistema zarráu tendente al equilibriu, los estaos d'equilibriu posibles inclúin toos aquellos que sían compatibles coles llendes o contornes del sistema. Ente ellos atópase, evidentemente, l'estáu d'equilibriu de partida. Si'l sistema varia'l so estáu d'equilibriu dende'l de partida a otru, ello ye por cuenta de que la entropía del nuevu estáu ye mayor que la del estáu inicial; si'l sistema camuda d'estáu d'equilibriu, la so entropía solo puede aumentar. Poro, la entropía d'un sistema aislláu termodinámicamente solo puede amontase. Suponiendo que l'universu partió d'un estáu d'equilibriu, qu'en tou intre de tiempu l'universu nun s'alloñar demasiáu del equilibriu termodinámicu y que'l universu ye un sistema aislláu, el segundu principiu de la termodinámica puede formulase de la siguiente manera;
Sicasí, la termodinámica axomática nun reconoz al tiempu como una variable termodinámica. Formalmente, la entropía solo puede definise pa estaos n'equilibriu. Nel procesu que va d'un estáu d'equilibriu a otru nun hai estaos d'equilibriu, polo que la entropía en dichos estaos de non-equilibriu nun puede definise ensin incurrir n'inconsistencies formales dientro de la mesma termodinámica. Asina, la entropía nun puede ser una función del tiempu, polo que falar de variaciones de la mesma nel tiempu ye formalmente incorreutu.
Cuando se fai, ye por cuenta de qu'haise presupuestu que nel procesu d'un estáu d'equilibriu a otru haise pasáu por infinitos estaos entemedios d'equilibriu, procedimientu que dexa introducir al tiempu como parámetru. Entrín y non l'estáu d'equilibriu final sía aquel de máxima entropía posible, nun s'incurriría nuna inconsistencia frontera por cuanto dichos estaos d'equilibriu entemedios nun afectaron al únicu real (el final).
La formulación clásica defende que'l cambéu na entropía S ye siempres mayor o igual —esclusivu pa procesos reversibles— que la tresferencia de calor Q producida, estremáu pola temperatura d'equilibriu T del sistema:A. Bejan, (2006). 'Advanced Engineering Thermodynamics', Wiley. ISBN 0-471-67763-9
Descripción xeneral
thumb|Suponiendo estaos iniciales y finales d'equilibriu, el principiu establez que los sistemes físicos salten d'un estáu con ciertu orde a un estáu menos ordenáu, aumentando'l so entropía. El procesu inversu ye imposible de forma bonal.
L'enunciáu axomáticu del segundu principiu pon darréu de manifiestu'l so principal carauterística: tratar d'una de les poques lleis ontolóxiques de la Física, en cuantes qu'estrema, de manera xeneral, aquellos procesos y estaos físicos que son posibles d'aquellos que nun lo son; esto ye, el segundu principiu dexa determinar la posibilidá d'un procesu o estáu. Ello ye que nun sentíu históricu'l segundu principiu surdió, en plena Revolución Industrial nel contestu de les máquines térmiques como una esplicación empírica de por qué éstes se portaben d'una manera determinada y non d'otra. N'efeutu, anque paeza trivial, siempres se reparaba, por casu, que pa calecer una caldera yera necesariu emplegar combustible amburando a mayor temperatura que la de la caldera; sicasí, enxamás se reparaba que la caldera caleciérase tomando enerxía de la so redolada, que de la mesma esfrecer. Ello ye que podría razonase que, en virtú del primer principiu de la termodinámica, nada torga que, bonalmente, sía posible estrayer calor d'un cuerpu fríu, por casu a 200K, pa tresmiti-y lo a otru caliente, por casu a 1000K: basta con que se cumpla'l balance enerxéticu correspondiente, a consecuencia del cual el cuerpu fríu esfreceríase entá ye más, y el caliente caleceríase entá ye más. Sicasí, too esto ye contrariu a toa esperiencia; y anque paeza común y hasta trivial, tenía un estraordinariu impautu nes máquines emplegaes na Revolución Industrial: por casu, de nun ser asina, les máquines podríen funcionar ensin precisar combustible, pos la enerxía necesaria podría tresferise de manera bonal del restu del ambiente. Sicasí, les máquines térmiques paecíen obedecer una determinada llei, que se materializó nel segundu principiu: pa producir trabayu mecánicu, yera necesariu apurrir enerxía adicional (el combustible), que de la mesma yera siempres mayor que la cantidá de trabayu estrayíu. El conceutu de máquina térmica apaez asina íntimamente amestáu al enunciáu inicial del segundu principiu.
Una máquina térmica ye aquella qu'aprove de trabayu eficaz gracies a la diferencia de temperatures ente dos cuerpos. Yá que cualquier máquina termodinámica requier una diferencia de temperatura, derívase pos que nengún trabayu útil puede estrayese d'un sistema aislláu n'equilibriu térmicu, esto ye, va riquir de l'alimentación d'enerxía del esterior. Esi principiu empíricu, estrayíu de la observación continua de cómo funciona l'universu, constitúi unu de los primeros enunciaos del Segundu Principiu de la Termodinámica: «ye imposible tou procesu cíclicu que'l so única resultancia sía l'absorción d'enerxía en forma de calor procedente d'un focu térmicu (o reservorio o depósitu térmicu), y la conversión de toa esta enerxía en forma de calor n'enerxía en forma de trabayu».
Enunciaos clásicos
La segunda llei de la termodinámica foi espresada de munches maneres distintes. Clausius foi'l primeru, basándose nes resultaos de Carnot: Refugada la teoría del calóricu, en 1851, Kelvin ufierta un nuevu enunciáu:
Más tarde Planck, basándose nos estudios de Kelvin establez un enunciáu bien senciellu:
Finalmente, en 1909, l'enunciáu más formal sería'l del matemáticu Constantin Carathéodory
Dalgunos corolarios del principiu, dacuando emplegaos como enunciaos alternativos, seríen:
Visualmente, el segundu principiu puede espresase imaxinando una caldera d'un barcu de vapor. Ésta nun podría producir trabayu si nun fora porque'l vapor atopar a temperatures y presión elevaes comparaos col mediu que lu arrodia.
Matemáticamente, esprésase asina:
onde S ye la entropía y el símbolu d'igualdá solo esiste cuando la entropía atopar nel so valor máximu (n'equilibriu).
Entropía en mecánica estadística