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Entropía - La entropía y la generación de entropía en la vida diaria

sQUÉ ES LA ENTROPÍA?
En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. La palabra entropía procede del griego (ἐντροπI¯α) y significa evolución o transformación. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la desarrolló durante la década de 1850 y Ludwig Boltzmann, quien encontró en 1877 la manera de expresar matemáticamente este concepto, desde el punto de vista de la probabilidad.
A diferencia de la energía, la entropía es una propiedad que no se conserva, por lo tanto, la conservación de entropía no existe.
La función termodinámica entropía es central para la segunda Ley de la Termodinámica. La entropía puede interpretarse como una medida de la distribución aleatoria de un sistema. Se dice que un sistema altamente distribuido al azar tiene alta entropía. Un sistema en una condición improbable tendrá una tendencia natural a reorganizarse a una condición más probable (similar a una distribución al azar), reorganización que dará como resultado un aumento de la entropía. La entropía alcanzará un máximo cuando el sistema se acerque al equilibrio, y entonces se alcanzará la configuración de mayor probabilidad.


Una magnitud es una función de estado si, y sólo si,su cambio de valor entre dos estados es independiente del proceso seguido para llegar de un estado a otro. Esa caracterización de función de estado es fundamental a la hora de definir la variación de entropía.
Por ejemplo, la variación de entropía nos muestra la variación del orden molecular ocurrido en una reacción química. Si el incremento de entropía es positivo, los productos presentan un mayor desorden molecular (mayor entropía) que los reactivos. En cambio, cuando el incremento es negativo, los productos son más ordenados. Hay una relación entre la entropía y la espontaneidad de una reacción química.
La entropía es una propiedad útil y una valiosa herramienta en el análisis de la segunda ley en los dispositivos de ingeniería. Se admite que entropía no es una palabra común como lo es energía, pero con el uso continuo se alcanza una comprensión más profunda y una mayor apreciación. La entropía puede verse como una medida de desorden molecular, o aleatoriedad molecular. Cuando un sistema se vuelve más desordenado, las posiciones de las moléculas son menos predecibles y la entropía aumenta, de ahí que no sorprenda que la entropía de una sustancia sea más baja en la fase sólida y más alta en la gaseosa. En la sólida, las moléculas de una sustancia oscilan continuamente en sus posiciones de equilibrio, pero les es imposible moverse unas respecto de las otras, por lo que su posición puede predecirse en cualquier momento con certeza. Sin embargo, en la gaseosa, las moléculas se mueven al azar, chocan entresí y cambian de dirección, lo cual hace sumamente difícil predecir con precisión el estado microscópico de un sistema en cualquier instante. Asociado a este caos molecular se encuentra un valor alto de entropía. Desde un punto de vista microscópico (a partir de la perspectiva de la termodinámica estadística), un sistema aislado que parece estar en equilibrio puede exhibir un nivel alto de actividad debido al movimiento incesante de las moléculas. A cada estado de equilibrio macroscópico corresponde un gran número de posibles estados microscópicos o configuraciones moleculares; entonces la entropía de un sistema se relaciona con el número total de esos estados posibles de ese sistema. Así, la entropía es una medida de desorden molecular, y el desorden molecular de un sistema aislado aumenta siempre que experimenta un proceso.




La entropía y la generación de entropía en la vida diaria
El concepto de entropía también puede aplicarse en otras áreas, y puede verse como una medida de desorden o desorganización en un sistema. Igualmente, la generación de entropía puede considerarse como una medida de desorden o desorganización generada durante un proceso. En la vida diaria, el concepto de entropía no tiene el uso tan extendido que tiene el de energía, aunque la entropía es aplicable a varios aspectos cotidianos. La extensión de este concepto hacia campos no técnicos no es algo nuevo, ha sido tema de varios artículos e incluso de libros. A continuación se presentan varios eventos del ámbito de lo ordinario y semuestra su relevancia respecto a los conceptos de entropía y generación de entropía.


Las personas eficientes llevan vidas de baja entropía (es decir, muy organizadas), tienen un lugar para todo (incertidumbre mínima) y emplean la menor energía para localizar algo. Por otro lado, las personas ineficientes llevan vidas de alta entropía: les toma varios minutos (si no es que horas) encontrar algo que necesitan y es probable que creen un desorden más grande mientras buscan, puesto que probablemente dirigirán su búsqueda de una manera desorganizada. Las personas que llevan estilos de vida de alta entropía siempre están apuradas y nunca parecen ponerse al día. Quizás ha notado (con frustración) que algunas personas parecen aprender rápidamente y recordar bien lo aprendido; a este tipo de aprendizaje lo podemos llamar organizado o aprendizaje de baja entropía. Estas personas hacen un esfuerzo consciente para almacenar adecuadamente la nueva información relacionándola con sus conocimientos previos y creando una red de información sólida dentro de sus mentes. Por otro lado, las personas que arrojan la información en sus mentes cuando estudian, sin hacer esfuerzo para afianzarla, quizá piensan que están aprendiendo, pero se verán obligadas a descubrir que no pueden localizar la información cuando la necesiten, por ejemplo durante una prueba o examen. No es fácil recuperar la información de una base de datos que está, en cierto sentido, en fase gaseosa. Losestudiantes que tienen lagunas durante las pruebas deben reexaminar sus hábitos de estudio. Una biblioteca con un buen sistema de clasificación y categorización puede verse como una biblioteca de baja entropía debido al nivel alto de organización. Del mismo modo, una biblioteca con un sistema deficiente puede apreciarse como una biblioteca de alta entropía debido al alto nivel de desorganización. Una biblioteca sin un adecuado sistema de clasificación y categorización no es una biblioteca, porque un libro que no es posible hallar no tiene valor. Considere dos edificios idénticos, cada uno con un millón de libros, en el primero los libros se amontonan unos encima de otros, mientras que en el segundo todos están muy organizados, clasificados y catalogados para conseguir una referencia fácil: no hay duda sobre cuál preferirá un estudiante. Algunos aún pueden argumentar, desde el punto de vista de la primera ley, que ambos edificios son equivalentes dado que la masa y el conocimiento albergado son idénticos en los dos, a pesar del nivel alto de desorganización (entropía) en el primero. Este ejemplo ilustra que cualquier comparación realista debe involucrar el punto de vista de la segunda ley. Dos libros de texto que parecen ser idénticos porque ambos cubren básicamente los mismos temas y presentan la misma información pueden ser muy diferentes dependiendo de cómo abordan los temas. Después de todo, dos automóviles aparentemente idénticos no lo son si uno recorre la mitad de la distancia que el otro realiza con lamisma cantidad de combustible. Del mismo modo, dos libros aparentemente idénticos no lo son tanto si toma el doble de tiempo aprender un tema en uno respecto al otro. Así, las comparaciones hechas con base en la primera ley pueden estar sumamente equivocadas. Tener un ejército desorganizado (entropía alta) es lo mismo que no tener ninguno. No es coincidencia que en la guerra los centros de mando de cualquier fuerza armada se hallen entre los principales blancos. Un ejército que consiste en 10 divisiones es 10 veces más poderoso que 10 ejércitos conformados por una sola división cada uno. Un país que consiste en 10 estados es más poderoso que 10 países, cada uno constituido por un solo estado. Estados Unidos no sería una potencia si estuviera formado por 50 países independientes en lugar de un solo país con 50 estados, de ahí que la Unión Europea tenga el potencial para ser una nueva superpotencia económica y política. El viejo cliché “divide y vencerás” puede ser parafraseado como “aumenta la entropía y vencerás”. Sabemos que la fricción mecánica siempre está acompañada por la generación de entropía, por lo tanto el desempeño se reduce. Esto se puede hacer extensivo para la vida cotidiana: la fricción en el lugar de trabajo, con los compañeros, genera entropía y por lo tanto afecta en forma adversa el desempeño laboral, lo que resulta en una productividad reducida. También sabemos que la expansión libre (o explosión) y el intercambio desordenado de electrones (reacciones químicas) generan entropía y que sonmuy irreversibles. Igualmente, hablar sin ninguna restricción para esparcir palabras de enojo es altamente irreversible porque genera entropía y puede causar daño considerable. Además, alguien que se instala en el enojo está muy cerca de sufrir una pérdida. Quizás algún día sea posible proponer algunos procedimientos para cuantificar la entropía generada durante las actividades no técnicas e incluso puntualizar sus fuentes primarias y su magnitud.


Así, la entropía es una medida de desorden molecular, y el desorden molecular de un sistema aislado aumenta siempre que experimenta un proceso.
Como se mencionó las moléculas de una sustancia en la fase sólida oscilan continuamente, creando una incertidumbre sobre su posición. Sin embargo, estas oscilaciones se desvanecen cuando la temperatura disminuye y las moléculas supuestamente se inmovilizan al cero absoluto, lo que representa un estado de orden molecular último (y energía mínima). Por lo tanto, la entropía de una sustancia pura cristalina a una temperatura absoluta de cero es cero a partir de que no hay incertidumbre sobre el estado de las moléculas con respecto a ese momento.

Esta declaración es conocida como la tercera ley de la termodinámica, la cual proporciona un punto de referencia absoluto para la determinación de entropía. La entropía determinada como relativa con respecto a este punto se llama entropía absoluta.
La entropía de una sustancia que no es pura cristalina (como una solución sólida) no es cero a temperatura absoluta cero. Esto sedebe a que para tales sustancias hay más de una configuración molecular, las cuales introducen un poco de incertidumbre sobre el estado microscópico de la sustancia.
En la fase gaseosa las moléculas poseen una cantidad considerable de energía cinética, pero se sabe que, por más grande que sea ésta, las moléculas de gas no hacen girar una hélice insertada en un contenedor para que así este dispositivo produzca trabajo. Esto se debe a que tanto las moléculas de gas como su energía están desorganizadas. Probablemente el número de moléculas que en cualquier instante intentan girar la hélice en una dirección es igual al número de las que están intentándolo en la dirección opuesta, causando que la hélice permanezca inmóvil. Por consiguiente, no podemos extraer trabajo útil directamente de la energía desorganizada.

Ahora considere un eje rotatorio en la figura siguiente, en el que en este momento la energía de las moléculas está completamente organizada porque las moléculas del eje giran juntas en la misma dirección. Esta energía organizada puede usarse para realizar tareas útiles como levantar un peso o generar electricidad. Además, como es una forma organizada de energía, el trabajo está libre de desorden o aleatoriedad y por lo tanto libre de entropía. No hay transferencia de entropía asociada con la transferencia de energía como trabajo. Por consiguiente, en la ausencia de cualquier tipo de fricción, el proceso de levantar un peso mediante un eje rotatorio (o un volante) no produce entropía. Cualquierproceso que no produzca una entropía neta es reversible y por lo tanto, en el caso del proceso descrito antes, puede invertirse bajando el peso. Por consiguiente, la energía no se degrada durante este proceso y ningún potencial de realizar trabajo está perdido.

La cantidad de energía siempre se conserva durante un proceso real (primera ley), pero la calidad está destinada a disminuir (la segunda ley). Esta disminución en la calidad siempre está acompañada por un incremento en la entropía.
Por ejemplo, considere la transferencia de 10 kJ de energía como calor de un medio caliente a otro frío, al final del proceso aún se tendrán los 10 kJ de energía, pero a una temperatura más baja y, por lo tanto, a una menor calidad.
En esencia, el calor es una forma de energía desorganizada, y algo de esta desorganización (entropía) fluirá con calor (Fig. siguiente). Como resultado, la entropía y el nivel de desorden molecular o aleatoriedad del cuerpo caliente disminuyen con la entropía mientras que el nivel de desorden molecular del cuerpo frío aumenta. La segunda ley requiere que el incremento en la entropía del cuerpo frío sea mayor que la disminución en la entropía del cuerpo caliente, por lo tanto la entropía neta del sistema combinado (cuerpos frío y caliente) aumenta. Es decir, el sistema combinado se halla en un estado de mayor desorden en el estado final. Se puede concluir entonces que el proceso sólo puede ocurrir en la dirección del aumento de entropía global o desorden molecular.
Es decir, el universo enteroestá volviéndose más caótico todos los días.


Procesos isentrópicos de gases ideales

Existe una clase especial de procesos idealizados, a parte de los ya estudiados, estos son los llamados procesos isentrópicos. El proceso isentrópico o isoentrópico es aquel en que se puede suponer que el proceso se lleva a cabo desde el inicio hasta el final sin un aumento o disminución de la entropía del sistema, es decir, la entropía del sistema permanece constante. Se puede demostrar que cualquier proceso adiabático reversible es un proceso isentrópico. Una simple definición más común de isentrópico sería 'No hay cambio en la entropía'.

Flujo isentrópico
Un flujo isoentrópico es un flujo que es a la vez adiabático y reversible. Es decir, no se añade calor al flujo y no hay transformaciones de energía se producen debido a la fricción o el disipador efectos. Tenga en cuenta que la energía puede ser intercambiada en una transformación isentrópica, siempre y cuando esto no suceda como intercambio de calor como en el caso de expansión isoentrópica o de compresión isoentrópica que implica el trabajo realizado en el sistema o por el sistema.

Transformación adiabática
Una transformación adiabática se caracteriza porque la sustancia de trabajo no intercambia calor, es decir, se cumple entonces que entre dos estados 1 y 2 unidos por una transformación adiabática reversible la entropía no varía; por ello estas transformaciones se denominan también isentrópicas.

CALORES ESPECÍFICOS
Se sabe por experiencia quese requieren distintas cantidades de energía para elevar en un grado la temperatura de masas idénticas pertenecientes a sustancias diferentes. Por ejemplo, se necesitan 4.5 kJ de energía para elevar la temperatura de 1 kg de hierro de 20 a 30 °C, mientras que se requiere nueve veces esta energía (41.8 kJ, para ser exactos) con la finalidad de elevar la tempera- tura de 1 kg de agua líquida en la misma cantidad. Por lo tanto, es deseable tener una propiedad que permita comparar la capacidad de almacenaje de energía de varias sustancias. Esta propiedad es el calor específico. El calor específico se define como la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia. En general, esta energía depende de cómo se ejecute el proceso. En termodinámica, el interés se centra en dos clases de calores específicos: calor específico a volumen constante cv y calor específico a presión constante cp. Desde un punto de vista físico, el calor específico a volumen constante cv se puede considerar como la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia cuando el volumen se mantiene constante. La energía requerida para hacer lo mismo cuando se mantiene constante la presión es el calor específico a presión constante cp. El calor específico a presión constante cp es siempre mayor que cv porque a presión constante se permite que el sistema se expanda y la energía para este trabajo de expansión también debe ser suministrada al sistema.





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