Unidad 3. Actividad 2. La entropía y el orden

Desarrollo.

Concepto de entropía.

Es una magnitud termodinámica definida originariamente como criterio para predecir la evolución de los sistemas termodinámicos.

La entropía es una función de estado de carácter extensivo, el calor de la entropía, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se da de forma natural. La entropía describe como es de irreversible un sistema termodinámico.

En física la entropía permite calcula cual es la piarte de la energía calorífica que no puede ser usada para producir trabajo si el proceso llega a ser reversible. Está es definida por la ecuación:

Dicho de otra manera, si la temperatura se mantiene constante en el proceso  (esto es proceso isotérmico), esto quiere decir que si un cuerpo caliente a temperatura  pierde una cantidad de calor , su entropía disminuye en , pero si cede este calor a un cuerpo frío con una temperatura  menor a  la entropía del cuerpo frío aumenta más de lo que ha disminuido la entropía del cuerpo caliente.

Esto quiere decir que una máquina reversible puede transformar en trabajo una parte de esta energía calorífica pero no toda. Para calcular entonces el rendimiento de una máquina reversible (esto quiere decir el máximo que puede dar cualquier máquina) se emplea la siguiente fórmula:

Para que toda la energía calorífica se pudiera transformar sería necesario que, o bien el foco caliente se encontrará a una temperatura infinita, o bien que el foco frío estuviera a 0°K; en otro caso, el rendimiento termodinámico de la máquina reversible es inferior a 1. (Entropía, 2017)

¿Cuál es el valor de la entropía para un proceso reversible?

En un proceso reversible la variación de entropía del universo es nula. (Tipler Mosca, 2006)

¿Por qué la entropía es una variable de estado?

Se tiene que una variable de estado es una propiedad de un sistema termodinámico que depende solo del estado del sistema y no de la forma en que el sistema llego a dicho estado, por tanto, la entropía es una función de estado.

Por ello las funciones de estado pueden verse como propiedades del sistema. (Martín Blas & Serrano Fernandez)

Las variables de estado, son las cantidades que se determinan cuando se fija el estado de un sistema. La entropía es una función de estado, de aquí que las entropías de dos estados 1 y 2 de un sistema, depende únicamente de estos estados. Si se cambia el sistema del estado 1 al estado 2 por medio de diferentes procesos, entonces la entropía del sistema siempre cambiará en la misma cantidad. Pero la entropía que rodea al sistema, cambiará en cantidades diferentes, dependiendo del proceso particular. En un proceso reversible, se distingue por el hecho de que los cambios en el sistema están acompañados por cambios compensadores en los alrededores del sistema, tales que la entropía del sistema más los alrededores permanece constante. La forma de expresar el cambio de la entropía de un sistema a través de una trayectoria reversible, que une a los dos estados, se hace mediante una línea sobre la diferencial de calor, como

 

En el caso de que los volúmenes inicial y final sean iguales, entonces  se reemplazará por , donde  es la capacidad calorífica del sistema a volumen constante. Pero si en lugar de volúmenes constantes se tiene presiones constantes, entonces en vez de , se utilizará , la capacidad calorífica a presión constante. Si las temperaturas final e inicial son iguales, se elegirá una trayectoria isotérmica reversible.

 

Problema 1.

Una masa de 1 kg a una temperatura de 25°C se mezcla adiabática e isobáricamente con una masa de 3kg de AGUA A 75°c. Calcule el cambio de entropía del agua y del universo, considerando

Datos:

Problema 2.

Considere dos gases 1 y 2 de masas m₁ y m₂ que se ponen en contacto térmico a presión constante. Para esta presión, los calores específicos por gramo son C₁ y C₂ respectivamente. Calcule:

a)      La temperatura final de equilibrio, suponiendo que la dependencia de C con la temperatura es despreciable

b)     El cambio en la entropía.

Para solucionar esto se deberían de seguir las siguientes fórmulas:

·         Para encontrar la temperatura final de equilibrio sería.

·         Para encontrar el cambio en la entropía sería:

Conclusiones.

Dado que la entropía es una función de estado extensiva el cual está representado por un S, mide el grado de desorden microscópico que hay en un sistema. Todos los sistemas tienden a un máximo de entropía, y por este motivo cuando se lleva a cabo una reacción química en un sistema aislado en el cual no hay intercambio de materia ni de energía, en donde el factor energético no puede llegar a ser determinante debido a que este no tiene intercambio de energía con su entorno, se produce entonces de manera espontánea el proceso en el que la entropía del sistema aumenta. Esto se debe a que la entropía a diferencia de la energía, la entropía si se puede crear. Un ejemplo de ello es que la entropía se crea de manera constante en el universo, en si no para de aumentar, y está es la base que sustenta el segundo principio de la termodinámica. (Teoría 17. Termodinámica: El aumento de la entropía del universo. Segundo Principio de la Termodinámica)

Bibliografía

Energía Solar. (20 de octubre de 2017). Recuperado el 12 de noviembre de 2019, de https://solar-energia.net/termodinamica/propiedades-termodinamicas/entropia

Martín Blas, T., & Serrano Fernandez, A. (s.f.). Universidad Politécnica de Madrid. Recuperado el 12 de noviembre de 2019, de Termodinámica: http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo1p/variables.html#funcion

Quimitube.com. (s.f.). Recuperado el 13 de noviembre de 2019, de http://www.quimitube.com/videos/termodinamica-teoria-17-el-aumento-de-entropia-del-universo-segundo-principio-de-la-termodinamica

Tipler Mosca. (2006). 19.7 Entropía. En Física para la ciencia y tecnología (5 ed., pág. 617). Barcelona, España: Editorial Reverté S. A. Recuperado el 12 de noviembre de 2019, de "C:\Users\alicia aine ramirez.000\OneDrive - Universidad Abierta y a Distancia de México\2 Semestre\Termodinámica\Física Tipler 5ta Edición Vol 1.pdf"