¿Cómo es válida la 2nd2nd2^\mathrm{nd} ley de la termodinámica?

Por ejemplo, si tenemos un cilindro infinito equipado con un pistón que tiene paredes curvas adiabáticas y una base diatérmica. Ahora, ponga la base en contacto con algún cuerpo de temperatura más alta y deje que el cilindro absorba algo de calor. Después de eso, cubrimos la base con un material adiabático. Luego, dejamos que el gas se expanda para siempre, convirtiendo así casi toda su energía en trabajo mediante el movimiento mecánico del pistón. No entiendo por qué tenemos que dar algo de calor a un cuerpo de temperatura más baja. Podemos tener tanta eficiencia como queramos dejando que el gas se expanda para siempre.

Quería preguntar una cosa más. En mi libro, al explicar la eficiencia del motor de Carnot, hay un gráfico entre la temperatura y la entropía. La curva es cíclica y de forma rectangular. Dice que el motor pasa por cuatro estados a ,   b ,   C ,   d correspondiente a puntos ( T 1 , S 1 ) , ( T 1 , S 2 ) , ( T 2 , S 2 ) y ( T 2 , S 1 ) . Entonces, la entropía aumenta al pasar de a a b pero disminuye de C a d . Pero en el mismo libro, se escribió que una vez que se ha creado la entropía, el universo tiene que cargar con su carga para siempre o, en otras palabras, no puede ser destruido. Creo que eso significa que la entropía no se puede disminuir. Entonces, ¿de qué disminuyó C a d ? Y por qué no se puede disminuir la entropía. Por ejemplo, la entropía de los electrones que se mueven al azar es grande, pero cuando aplicamos un campo eléctrico, los electrones comienzan un movimiento sistemático y, por lo tanto, la aleatoriedad disminuye. Entonces, ¿no se destruye la entropía?

El proceso propuesto no es un ciclo, por lo que no tiene sentido usar formas de la segunda ley que se refieran a máquinas térmicas (la versión de Carnot, quizás). Construya un ciclo o use una forma diferente de la segunda ley.
"Por ejemplo, si tenemos un cilindro infinito..." . Spherical Cow interrumpe y dice "Nooooo... no tratamos con objetos infinitos". Bueno, lo hubiera hecho... pero está en el vacío. Pregunta interesante: si intenta hablar, pero no hay aire para transportar el sonido, ¿ha hablado entonces? (Versión de "Si un árbol cae..." )

Respuestas (3)

Estás cometiendo un concepto erróneo común de la segunda ley.

El enunciado de Kelvin de la Segunda Ley dice que es imposible tener un proceso cuyo único efecto sea convertir calor en trabajo. El término "único efecto" significa que el sistema debe volver a su estado inicial, es decir, el proceso debe ser cíclico. Ese no es el caso en tu ejemplo.

La entropía no disminuye para sistemas aislados . Cuando traza esos diagramas para un motor térmico, está tratando con un sistema no aislado. El motor (el sistema) está en contacto térmico con las fuentes (el entorno). Si considera el motor más las fuentes como su sistema, entonces la entropía nunca disminuye.

¿Significa eso que podemos extraer calor de un cuerpo de alta temperatura y convertirlo en trabajo siempre que no tengamos que hacer que el sistema vuelva a su estado original? Entonces, ¿por qué los barcos no pueden ser impulsados ​​extrayendo calor del océano y convirtiéndolo en trabajo realizado en el barco sin usar combustible?
@Dove, sí, es posible convertir integralmente el calor en trabajo, sin embargo, los motores del barco funcionan en ciclos. Luego la segunda ley les prohibe transformar todo el calor en trabajo.
Paloma, hay una gran cantidad de calor de "bajo grado", tanto en el mar como en zonas como los desiertos e incluso desde las carreteras. Un gran problema es que normalmente gastaríamos mucha más energía reuniendo todo este calor gratuito en comparación con el trabajo útil que haría. Así que nos concentramos en construir represas, digamos, ya que los ríos y lagos han hecho el trabajo de recolección por nosotros.
¿Los motores siempre tienen que trabajar en ciclos? Si, de alguna manera, tuviéramos un cilindro infinito en el océano equipado con un pistón. Y, si usáramos ese pistón para transportar el barco de un lugar a otro extrayendo calor del mar, ¿entonces la segunda ley no traería ninguna limitación a tal dispositivo?
@Dove Definitivamente podría tener un barco con el motor no cíclico que propone. Aunque tendría un tamaño tan grande que sería factible.
@Dove "¿los motores siempre tienen que funcionar en ciclos?". Defina "motor". Un cohete definitivamente no funciona en un ciclo. Algunos motores funcionan en un "ciclo cerrado". Algunos trabajan en "ciclos abiertos". Y algunos no funcionan en ciclos en absoluto.

Luego, dejamos que el gas se expanda para siempre, convirtiendo así casi toda su energía en trabajo mediante el movimiento mecánico del pistón.

El gas no podría expandirse para siempre, esto no tiene sentido, lamento decirlo. (Incluso sin el ejemplo de Carnot Engine). La carrera de retorno del pistón lo comprimirá y lo conducirá hacia el depósito frío.

una vez que se ha creado la entropía, el universo tiene que cargar con su carga para siempre o, en otras palabras, no puede ser destruido. Creo que eso significa que la entropía no se puede disminuir. Entonces, ¿qué disminuyó de cc a dd?

En el camino de c a d, la entropía y la energía se transfirieron al depósito frío, manteniendo la entropía del fluido de trabajo lo más baja posible, a costa de perder algo de energía, que luego se devuelve al fluido de trabajo desde el depósito caliente.

Eventualmente, la máquina dejará de funcionar, ya que ambos depósitos estarán en equilibrio térmico.

Si no hay presión externa sobre el pistón, entonces el gas debe expandirse eternamente porque siempre hay una presión distinta de cero dada por la ecuación P= F r a C norte R T , V y, por lo tanto, una fuerza ascendente distinta de cero sobre el pistón.
Pero forever es un poco extremo, tanto en el tiempo como en el espacio. De todos modos, sé lo que quieres decir. Creo que hiciste una buena pregunta, ya que otras personas probablemente quieran que esto se resuelva. +1
No hay ningún problema con el proceso que propone más allá de que se establezca en términos de PhysicLand. Simplemente no puede usar una versión de la segunda ley que se basa en un ciclo sin tener un ciclo.
@dmckee punto tomado, gracias, se desvió de la pregunta. Lo siento Paloma.

Por ejemplo, la entropía de los electrones que se mueven al azar es grande, pero cuando aplicamos un campo eléctrico, los electrones comienzan un movimiento sistemático y, por lo tanto, la aleatoriedad disminuye. Entonces, ¿no se destruye la entropía?

Creo que tienes una imagen equivocada aquí.

Si los electrones no interactúan, su velocidad inicial se distribuye aleatoriamente v 0 evolucionará como v 0 + q mi t , que tiene las mismas propiedades estadísticas que la distribución inicial porque v 0 se conserva de alguna manera. El desorden no cambia, la entropía es constante, lo que corresponde a que el campo solo proporcione trabajo (y no calor) a la distribución.

Si quieres deshacerte de v 0 , los electrones necesitan interactuar juntos o con una red circundante. En este caso, la energía proporcionada por el campo se redistribuirá, lo que conducirá a un aumento del desorden y de la entropía; típicamente, las partículas alcanzarán un estado térmico con una temperatura más alta.

¿Cómo es válida la 2nd2nd2^\mathrm{nd} ley de la termodinámica?
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