La segunda ley de la termodinámica: explicación y ejemplos

Summary

El script del video explica la segunda ley de la termodinámica, que establece que no existe un motor térmico capaz de convertir completamente la energía absorbida en trabajo útil. Se ilustra con ejemplos como el de los bloques de Lego, la cafetera que se enfríe y el libro que se desliza por una mesa, demostrando que todos los procesos tienden a ser ineficientes y a aumentar la entropía. Se discuten las fórmulas y ecuaciones, como el cambio de entropía ΔS, que indica el grado de desorden en un sistema. Además, se presentan ejercicios prácticos para entender mejor la ley, incluyendo el cálculo de la eficiencia teórica de una turbina de vapor y el poder mecánico entregado por una máquina.

Takeaways

• 🔧 La segunda ley de la termodinámica tiene varias formas de expresión, pero todas implican que no se puede convertir completamente toda la energía en trabajo útil.
• 🧩 El ejemplo de los bloques de Lego en el suelo ilustra cómo la energía tiende a dispersarse y que los procesos no son 100% eficientes.
• ☕ La cafetera enfriándose es un ejemplo de proceso irreversible, lo que demuestra que la entropía tiende a aumentar con el tiempo.
• 📚 La entropía, medida en julios por kelvin (J/K), ayuda a establecer la dirección de los procesos termodinámicos.
• 🔄 La ley de la termodinámica se aplica a todos los sistemas termodinámicos, desde el universo hasta una taza de café en la mesa.
• 📉 En procesos irreversibles, como el enfriamiento de la cafetera o el rompimiento de un vidrio, la entropía siempre aumenta.
• 🔄 La entropía es un indicador de la cantidad de desorden en un sistema y está relacionada con la eficiencia de los procesos.
• 🔄 La eficiencia de los procesos casi reversibles es mayor ya que se acerca más a la idea de que la entropía no aumenta.
• 💡 La mayoría de los procesos cotidianos, como el funcionamiento de una bombilla incandescente, son irreversibles y generan calor como pérdida de energía.
• 🎲 La entropía también se aplica a conceptos más amplios, como el aprendizaje y la organización, donde un mayor desorden generalmente indica menor eficiencia.
• 📘 Ejemplos prácticos y ejercicios, como el cambio de entropía durante la evaporación de agua o el cálculo de la eficiencia de una turbina de vapor, ayudan a entender la segunda ley de la termodinámica.

Q & A

¿Cuál es una de las expresiones del segundo principio de la termodinámica según la formulación de Kelvin-Planck?

Según la formulación de Kelvin-Planck, ninguna máquina térmica es capaz de convertir completamente toda la energía que absorbe en trabajo útil.

¿Qué implica el segundo principio de la termodinámica en términos de la calidad de la energía y el aumento de la entropía?

El segundo principio de la termodinámica implica que los procesos reales ocurren de tal manera que la calidad de la energía disminuye debido a que la entropía tiende a aumentar.

¿Cómo se relaciona el segundo principio de la termodinámica con el ejemplo de lanzar bloques de Lego al suelo?

El segundo principio se relaciona con el ejemplo de los bloques de Lego porque es muy poco probable que los bloques caigan en orden, lo que ilustra la tendencia a la desordenación y la ineficiencia en los procesos naturales.

¿Por qué no es posible que un café caliente se caliente aún más mientras su entorno se enfría?

Es poco probable que un café caliente se caliente aún más mientras su entorno se enfría porque va en contra del sentido espontáneo de los procesos termodinámicos, que implica que la entropía del sistema aumenta y el café tiende a equilibrarse térmicamente con su entorno.

¿Cómo se relaciona la entropía con el sentido en que ocurren los procesos cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto?

La entropía se relaciona con el sentido de los procesos en que, cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto, tienden a alcanzar un equilibrio térmico debido a que la entropía alcanza su máximo cuando ambas temperaturas son iguales.

¿Cómo se calcula el cambio de entropía (ΔS) en una sistema y qué unidades se utilizan para medirla?

El cambio de entropía (ΔS) se calcula mediante la fórmula ΔS = Q/T, donde Q es la cantidad de calor en julios y T es la temperatura en kelvins. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la entropía se mide en julios por kelvin o J/K.

¿Por qué la fórmula del cambio de entropía solo es aplicable a procesos reversibles?

La fórmula del cambio de entropía solo es aplicable a procesos reversibles porque estos son procesos en los que el sistema puede regresar a su estado original sin dejar rastro de lo ocurrido, lo cual no es cierto en procesos irreversibles donde la entropía siempre aumenta.

¿Qué ejemplos se mencionan en el guion para ilustrar procesos irreversibles y cómo se relacionan con la entropía?

Se mencionan dos ejemplos de procesos irreversibles: el enfriamiento de una taza de café y el rompimiento de un vidrio. Ambos procesos son unidireccionales y aumentan la entropía del sistema, lo cual es una manifestación del segundo principio de la termodinámica.

¿Cómo se relaciona la eficiencia de un proceso con su cercanía a ser un proceso reversible?

Los procesos que están más cerca de ser reversibles son más eficientes, ya que entregan una mayor cantidad de trabajo con menos consumo de energía. Esto se debe a que, al cambiar lentamente y siempre estar en equilibrio, es posible devolver al sistema a un estado anterior sin dejar una huella en el entorno.

¿Cuál es la relación entre la fricción y la irreversibilidad de un proceso?

La fricción es responsable de mucho de la irreversibilidad de los procesos, ya que el calor generado por ella no es una forma de energía deseada y no se puede recuperar. Esto se refleja en el aumento de la entropía del sistema.

¿Cómo se relaciona la entropía con el aprendizaje y la organización en un entorno de trabajo?

La entropía se relaciona con el aprendizaje y la organización de la siguiente manera: los aprendices de baja entropía (que aprenden y recuerdan fácilmente) son menos comunes que los de alta entropía (que tienen más dificultad para recordar). Del mismo modo, una empresa con trabajadores desorganizados tiene más entropía y es menos eficiente que una donde los trabajadores realizan tareas de manera ordenada.

¿Cuál es la relación entre la eficiencia mecánica y la generación de calor por efecto de Joule en una bombilla incandescente?

La mayoría del trabajo realizado por la corriente que atraviesa el filamento de una bombilla incandescente se pierde como calor por el efecto de Joule. Solo un pequeño porcentaje se utiliza para emitir luz, lo que indica una baja eficiencia mecánica y un aumento de la entropía del sistema.

¿Cómo se calcula la eficiencia teórica máxima de una turbina de vapor alimentada con carbón que opera entre 1870 y 430°C?

La eficiencia teórica máxima se calcula con la fórmula: Máxima eficiencia = 1 - (T2/T1), donde T1 es la temperatura del calor y T2 es la temperatura del frío. Al convertir grados centígrados a kelvins y aplicar la fórmula, se obtiene una eficiencia máxima del 67.2%.

Si una turbina de vapor absorbe 1.40 x 10^5 julios de energía cada segundo, ¿cuál es su potencia mecánica si su eficiencia real es del 42.0%?

La potencia mecánica entregada por la turbina se calcula multiplicando su eficiencia real por la energía absorbida: P = 0.42 x 1.40 x 10^5 J/s, lo que resulta en una potencia de 58800 vatios (W).

Outlines

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🔧 Explicación del Segundo Principio de la Termodinámica

El primer párrafo introduce el Segundo Principio de la Termodinámica, que establece que no existe un motor térmico capaz de convertir toda la energía absorbida en trabajo útil. Se ilustra con ejemplos como los bloques de Lego y la cafetera que se enfría. Se mencionan las fórmulas y ecuaciones relacionadas con la entropía (ΔS = Q/T), que indica el grado de desorden en un sistema y es aplicable solo a procesos reversibles. También se discuten procesos irreversibles, donde la entropía siempre aumenta, como el enfriamiento de la cafetera o el rompimiento de un vidrio. Se enfatiza la importancia de la entropía en el sentido en que ocurren los procesos y cómo la eficiencia de los procesos se ve afectada por la fricción y la energía desperdiciada, como en el caso de una bombilla incandescente.

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🌐 Ejemplos y Ejercicios del Segundo Principio

El segundo párrafo amplía el concepto del Segundo Principio con ejemplos más variados, desde el aprendizaje hasta la organización en una empresa, pasando por el uso de máquinas y el lanzamiento de un dado. Cada ejemplo ilustra cómo la entropía aumenta en diferentes situaciones. Luego, se presentan tres ejercicios prácticos: el primero calcula el cambio de entropía durante la evaporación de agua a presión constante, el segundo determina la cantidad de trabajo realizado en un ciclo de un gas, y el tercero calcula la eficiencia teórica máxima y la potencia mecánica de una turbina de vapor de carbón, relacionándolos con la temperatura y la energía absorbida.

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🔢 Cálculo de Eficiencia y Potencia en una Turbina de Vapor

El tercer párrafo se enfoca en el cálculo de la eficiencia y la potencia de una turbina de vapor de carbón, utilizando la fórmula de eficiencia teórica y las conversiones de temperatura Celsius a Kelvin. Se calcula la eficiencia máxima teórica como el 67.2% y la potencia mecánica entregada por la máquina, considerando una eficiencia real del 42%, resultando en una potencia de 58,800 watts. Este párrafo profundiza en el concepto de eficiencia y cómo se relaciona con la temperatura y el trabajo realizado por la máquina.

Keywords

💡Segunda ley de la termodinámica

La Segunda ley de la termodinámica es un principio fundamental en física que establece que no es posible convertir completamente toda la energía en trabajo útil en un motor de calor, según la formulación de Kelvin-Planck. Esta ley también sugiere que en procesos reales, la calidad de la energía disminuye a medida que la entropía tiende a incrementarse. En el video, esta ley se utiliza para explicar por qué los procesos no son 100% eficientes y por qué la materia tiende a volverse desordenada, como en el ejemplo de los bloques de Lego que se lanzan al suelo.

💡Entropía

La entropía es una medida de la desorden o la dispersión de la energía en un sistema. Se relaciona con la Segunda ley de la termodinámica, ya que el aumento de entropía indica que el sistema tiende a un mayor estado de desorden. En el video, se menciona que cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto y alcanzan el equilibrio térmico, la entropía alcanza su máximo cuando ambas temperaturas son iguales, lo que es un concepto clave para entender el sentido en que ocurren los procesos.

💡Proceso reversible

Un proceso reversible es aquel en el cual el sistema puede regresar a su estado original sin dejar rastro de lo sucedido. En el video, se explica que la ecuación para el cambio de entropía ΔS = Q/T solo es aplicable a procesos reversibles. Esto contrasta con los procesos irreversibles, donde siempre se incrementa la entropía, como en el caso del café que se enfríe y no puede volver a calentarse por sí solo.

💡Proceso irreversible

Un proceso irreversible es aquel que ocurre en una sola dirección y no puede deshacerse por completo. En el video, se da como ejemplo el café que se enfríe, ya que este proceso siempre ocurre en una dirección y no puede invertirse sin la intervención externa. También se menciona que la estiramiento es un proceso irreversible, ya que una vez mezclado, no se puede separar el café y la crema de nuevo.

💡Eficiencia

La eficiencia es una medida de cuánto de la energía total se convierte en trabajo útil. En el video, se destaca que ningún proceso es 100% eficiente debido a que siempre hay pérdidas. Se ilustra esto con el ejemplo del libro que se desliza sobre una mesa y finalmente se detiene debido a la fricción, lo que causa una pérdida de energía cinética como calor.

💡Equilibrarse térmicamente

El término 'equilibrar térmicamente' se refiere a cuando dos sistemas o partes de un sistema alcanzan la misma temperatura y no hay más intercambio de calor entre ellos. En el video, se menciona que la cafetera enfriándose es un ejemplo de un sistema que se está equilibrando térmicamente con su entorno hasta alcanzar el equilibrio.

💡Joule

El joule es la unidad de medida de energía en el Sistema Internacional de Unidades (SI). En el video, se utiliza para expresar la cantidad de calor transferido en ejemplos, como en el caso del cambio de entropía ΔS = Q/T, donde Q representa la cantidad de calor en joules.

💡Kelvin

El kelvin es la unidad de medida de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades (SI), y se utiliza en la ecuación de cambio de entropía. En el video, se menciona que la temperatura se mide en kelvins cuando se calcula el cambio de entropía en un sistema.

💡Máquina de vapor de carbón

Una máquina de vapor de carbón es un tipo de turbina que utiliza la energía de la vaporización del agua para generar electricidad. En el video, se menciona una turbina de este tipo en el río Ohio como una de las máquinas más eficientes construidas, y se utiliza para calcular la eficiencia teórica y la potencia mecánica entregada.

💡Ejercicios de termodinámica

El video incluye ejercicios prácticos para ilustrar cómo se aplican los conceptos de la segunda ley de la termodinámica. Por ejemplo, se calcula el cambio de entropía durante la vaporización de agua a presión constante, se determina la cantidad de trabajo realizado en un ciclo de un gas, y se calcula la eficiencia teórica y la potencia de una turbina de vapor. Estos ejercicios ayudan a los espectadores a comprender mejor los principios y a aplicarlos a situaciones concretas.

Highlights

The second law of thermodynamics is introduced with its different expressions, emphasizing the impossibility of a heat engine to convert all absorbed energy into usable work (Kelvin-Planck formulation).

The law is also explained through the concept of entropy, which tends to increase, indicating a natural progression towards disorder.

An illustrative example of throwing Lego blocks highlights the disordered outcome, aligning with the second law of thermodynamics.

The video promises to simplify the complex explanations of thermodynamics through examples and exercises.

The concept of thermal equilibrium is introduced with the example of a cup of coffee cooling down over time.

The spontaneous and unlikely reversal of thermal processes, like a coffee warming up while the environment cools, is discussed.

Friction as a source of energy loss and irreversibility is exemplified by sliding a book across a table.

Entropy is defined and its calculation formula is presented, with Q representing heat and T representing temperature.

The restriction of entropy calculation to reversible processes is explained, highlighting the limitations of the formula.

Irreversible processes and the constant increase of entropy are exemplified by the cooling cup of coffee.

The irreversibility of stirring cream into coffee and the breaking of a glass are used to illustrate the second law of thermodynamics.

Processes that approach reversibility are described as more efficient, with less energy consumption.

Friction is identified as a major cause of irreversibility and energy inefficiency.

Examples of entropy increase in everyday processes, such as incandescent light bulbs, are provided.

The second law of thermodynamics is connected to universal processes and the concept of entropy increase.

Learning efficiency is analogized to entropy, with 'low-entropy learners' being more efficient.

Organization in a company is related to entropy, with more organized workers equating to lower entropy and higher efficiency.

The exercise involving a cylinder with a piston and water vapor is presented, with a calculation of entropy change.

A cyclic process involving a gas and its work done in one cycle is calculated, using the first law of thermodynamics.

The efficiency of a coal-fired steam turbine is calculated, including its theoretical maximum and actual mechanical power output.

Transcripts

The second law of thermodynamics has several forms of expression. One of them

states that no heat engine is capable of completely converting all the energy

it absorbs into usable work (Kelvin-Planck formulation). Another way of stating

it is to say that real processes occur in such a way that the quality of the energy

is lower because the entropy tends to increase. These explanations seem complex, but do

n't worry, in this video I will explain examples and we will do exercises so that you understand it better.

An example of the law of thermodynamics is throwing Lego blocks on the ground.

It would be very rare for them to fall in order. Although the second law of thermodynamics

is expressed in many ways, underlying all of them is the idea that matter tends to become disordered

and that no process is 100% efficient, since losses will always exist.

All thermodynamic systems adhere to this principle, starting from the universe itself to

the morning cup of coffee that sits quietly on the table exchanging heat with its surroundings.

The coffee cools as time passes, until it is in thermal equilibrium with the environment, so

it would be very surprising if one day the opposite happened and the environment cooled down while

the coffee warmed up by itself. It is unlikely to happen, some would say impossible,

but it is enough to imagine it to get an idea of ​​the sense in which things happen spontaneously.

In another example, if we slide a book across a table top,

it will eventually stop, because its kinetic energy

will be lost as heat due to friction. Let us now see the formulas and equations of this law

. Entropy helps us to establish the sense in which things occur.

When two objects at different temperatures come into contact and finally after

some time reach thermal equilibrium, they are driven to do so by the fact that

the entropy reaches its maximum, when the temperature of both is the same.

Denoting entropy as S, the change in entropy ΔS of a system is given by:

Q is the heat in joules and T is the temperature in kelvins. In

the International System of SI units, entropy is given in joules/kelvins or J/K.

The change in entropy ΔS indicates the degree of disorder in a system,

but there is a restriction in the use of this equation: it

is only applicable to reversible processes, that is, those in

which the system can return to its original state without leaving imprint of what happened.

In irreversible processes, the second law of thermodynamics is stated as follows:

The inequality arises because in irreversible processes entropy is always increasing.

The cup of coffee always gets colder and is a good example of an irreversible process, since it

always occurs in only one direction. If you add cream to the coffee and stir, you'll get a very nice combination

, but no matter how much you stir it again, you won't have the coffee and cream

separately, because stirring is irreversible. Another irreversible process

is the breaking of a glass: Although most

everyday processes are irreversible, some are almost reversible. For this to happen, the system

must change very slowly, so that at each point it is always in equilibrium. In

this way it is possible to return it to a previous state without leaving a mark on the surroundings.

Processes that come fairly close to this ideal are more efficient, as they deliver a greater

amount of work with less energy consumption. The friction force is responsible for much

of the irreversibility, because the heat generated by it is not the

type of energy that is sought. In the book sliding across the table,

frictional heat is energy that is not recovered. Although the book returns to its original position,

the table will have remained hot as a trace of coming and going on it.

Now look at an incandescent light bulb: most of the work done by the current

through the filament is wasted as heat by the Joule effect. Only a small percentage is

used to emit light. In both processes (book and light bulb), the entropy of the system has increased.

Let us now see more examples of this law. The second law of thermodynamics is

implicit in all the processes that occur in the Universe. Entropy is always increasing,

even though in some systems it appears to be decreasing. For this to happen, it must have increased elsewhere,

so that the total balance is positive. - In learning there is entropy. There are people

who learn things well and quickly, as well as being able to remember them easily later.

They are said to be low-entropy learners, but they are surely less numerous

than high-entropy learners: those who have a harder time remembering the things they study.

- A company with disorganized workers has more entropy

than one in which workers carry out tasks in an orderly manner. It is clear

that the latter will be more efficient than the former. - Friction forces generate less efficiency

in the operation of machinery, because they increase the amount of energy

dissipated that cannot be used efficiently. - Tossing a die has a higher entropy than

tossing a coin. After all, tossing a coin only has 2 possible outcomes,

while rolling the die has 6. The more likely events, the more entropy there is.

And now let's move on to exercises. At the end of each one we will show you the solutions

Exercise 1

A cylinder with a piston is filled with a mixture of liquid and water vapor at 300 K and

750 kJ of heat are transferred to the water through a process at constant pressure. As a result,

the liquid inside the cylinder vaporizes. Calculate the change in entropy in the process.

Solution The process described in the statement

is carried out at constant pressure in a closed system, which does not undergo mass exchange.

Since it is a vaporization, during which the temperature does not change either

(during phase changes the temperature is constant), the definition

of entropy change given above can be applied and the temperature can be left out of the integral:

Evaluating with the supplied data: ΔS= 750,000 J / 300 K = 2500 J/K.

Since heat enters the system, the change in entropy is positive.

Exercise 2 A gas undergoes a pressure increase from 2.00 to 6.00

atmospheres (atm), maintaining a constant volume of 1.00 m3, to later expand at

constant pressure until reaching a volume of 3.00 m3. Finally it returns to its initial state. Calculate

how much work is done in 1 cycle. Solution

This is a cyclic process in which the change in internal energy is null, according to the

first law of thermodynamics, therefore Q = W. In a PV (pressure - volume) diagram,

the work done during a cyclic process equals the area enclosed by

the curve. To give the results in the International System, it is necessary

to change the units in the pressure using the following conversion factor:

1 atm = 101.325 kPa = 101.325 Pa. The area enclosed by the graph corresponds

to that of a triangle whose base (3 – 1 m3) = 2 m3 and whose height is (6 – 2 atm) = 4 atm = 405,300 Pa

WABCA = ½ (2 m3 x 405,300 Pa) = 405,300 J = 405.3 kJ.

Exercise 3

One of the most efficient machines ever built is said to be a

coal-fired steam turbine on the Ohio River, which is used to drive an

electric generator operating between 1870 and 430°C. Calculate: a) The maximum theoretical efficiency,

b) The mechanical power delivered by the machine if it absorbs 1.40 x 105 J of energy every second

from the hot reservoir. The actual efficiency is known to be 42.0%.

Solution a) The maximum efficiency is

calculated with the equation given above: Maximum efficiency= (Qinput – Qoutput

) /Qinput = 1 – (T2/T1) To convert degrees centigrade

to kelvin, simply add 273.15 to the temperature in centigrade:

Multiplying for 100% we have the maximum percentage efficiency, which is 67.2%

c) If the real efficiency is 42%, we have a maximum efficiency of 0.42.

The mechanical power delivered is: P = 0.42 x 1.40 x10 5 J/s = 58800 W.