Segunda ley de la termodinámica

Universidad de Guanajuato
División de ciencias naturales y exactas

Fisicoquímica I
Segunda Ley de la termodinámica

Omar Emmanuel Godínez Brizuela

Introducción
Sabemos muchos procesos en la naturaleza tienen la característica de ocurrir en un sentido definido, tienen una dirección, y eso es lo que consideramos natural, una transformación en otro sentido no tendría sentido para nuestrarealidad. La primera Ley de la termodinámica no exige que los procesos ocurran en un orden específico, solamente exige que la energía total del universo permanezca constante. Podemos inferir que los procesos espontáneos suceden siempre en el sentido en que la energía propia del sistema disminuye, y en esto se basa la segunda ley de la termodinámica

El ciclo de Carnot
En 1824 Sadi Carnot,ingeniero francés diseñó una transformación cíclica conocida actualmente como ciclo de Carnot, que se compone de 4 etapas reversibles y, en consecuencia, es un ciclo reversible.

El ciclo de Carnot consta de las etapas
1. Expansión isotérmica
2. Expansión adiabática
3. Compresión isotérmica
4. Compresión adiabática
Entonces el trabajo vendría dado por la suma de los trabajos en cadauna de las etapas, a diferentes temperaturas. Entonces como el trabajo debe ser negativo, o en el mejor de los casos cero, se enuncia
“No es posible para un sistema que opera en un ciclo conectado a una sola reserva de calor producir una cantidad positiva de trabajo sobre el entorno.”
La importancia de la máquina de Carnot es que ninguna máquina térmica que funcione entre dos depósitos deenergía puede ser más eficiente que una máquina de Carnot que funcione entre esos mismos dos depósitos.

La entropía
La entropía se define como la medida de desorden de un sistema, es decir, podemos hablar de la probabilidad que tenemos de encontrar una molécula en determinado espacio, como al trabajar con sistemas químicos se habla de grandes cantidades de moléculas, es necesario dar unainterpretación probabilística , entonces se puede definir de una manera estadística como sigue
S=Kb LnW
Esta ecuación nos indica que cuando el trabajo se eleva al cuadrado, la entropía se duplica, a ésta ecuación se le llama “ecuación de Boltzmann” la constante Kb es la constante de Boltzmann y equivale a Kb=1.381x10-23J/K
Como la entropía es una función de estado el cambio de entropía se define como∆S=Kb LnW2W1
Donde W son probabilidades. Sustituyendo, llegamos a la conclusión de que
∆S=nR LnV2V1
La entropía viene siendo formulada termodinámicamente partiendo de que
q=-W
qrev=nRT LnV2V1
∆S=qrevT
En un proceso infinitesimal
S=Q1Q2dqrevT

Ejemplo.
Calcular el cambio de entropía cuando 2 moles de gas ideal se dejan expandir isotérmicamente desde un volumen de 1.5L hasta 2.4L. (Fuente:Fisicoquímica, Chang, Tercera Edición.)
∆S=nR LnV2V1
Sustituyendo
∆S=2mol 8.3JKmolLn(2.41.5
=7.8J/K


Ejemplo.
Calcular el cambio de entropía cuando 2 moles de gas ideal se dejan expandir isotérmicamente desde un volumen de 1.5L hasta 2.4L. (Fuente: Fisicoquímica, Chang, Tercera Edición.)
∆S=nR LnV2V1
Sustituyendo
∆S=2mol 8.3JKmolLn(2.41.5
=7.8J/KLos sistemas aislados tienden al desorden y la entropía es una medida de estedesorden. La entropía del universo aumenta en todos los procesos reales.
El cambio de entropía durante un proceso sólo depende de los puntos extremos, por lo que es independiente de la trayectoria real seguida. En consecuencia el cabio de entropía de un proceso irreversible se determina al calcular el cambio de entropía para un proceso reversible que conecta los mismos estados inicial y final.
La...