Supongamos que tenemos una bola de billar estacionaria. Haga rodar una bola blanca para que golpee la bola de billar y la bola de billar comience a moverse. Diríamos que la bola blanca funciona sobre la bola de billar. Ese trabajo se puede calcular a partir de las fuerzas y los desplazamientos durante la colisión. Si nuestra colisión es perfectamente elástica, presumiblemente toda la energía transferida se transfirió a través del trabajo.
Ahora supongamos que una molécula de gas choca con otra. Esta situación parecería ser la misma; hay una colisión elástica; la energía debe ser transferida como trabajo.
Pero supongamos ahora que hay una habitación entera llena de gas frío pesado en la parte inferior y gas cálido ligero en la parte superior. Ahora diríamos que el calor fluye a través de los gases por conducción, se genera entropía, etc. Pero en ningún momento hay ningún proceso físico además de una simple colisión entre moléculas. Si la transferencia de energía es solo un montón de colisiones intermoleculares, cada una de las cuales transfiere energía a través del trabajo, ¿por qué la energía se transfiere a través del calor desde la perspectiva macroscópica?
Si todo lo anterior es correcto, parecería que hay algún tipo de transición donde a medida que aumenta el número de moléculas, la transferencia de energía cambia de trabajo a calor, o bien con algún cambio de perspectiva de una descripción microscópica a macroscópica, la transferencia de energía cambia de trabajar a calentar. Pero en ese caso, ¿por qué cosas como la segunda ley de la termodinámica deberían depender de su elección de perspectiva o del número de moléculas en su sistema?
Tienes razón al decir que es un cambio de perspectiva: el calor no es realmente un concepto útil para sistemas pequeños. El calor solo se usa realmente para describir grandes sistemas en los que es imposible realizar un seguimiento de las energías cinéticas individuales de las partículas. La transición entre hablar de energías cinéticas y calor solo depende de cómo queramos describir el sistema.
Sin embargo, la entropía no es subjetiva, echa un vistazo a este hilo: ¿Es subjetiva la cantidad de entropía?
El mensaje para llevar es que cuando describe un sistema con un conjunto de parámetros, la entropía será una función objetiva de esos parámetros, pero puede ser diferente según los parámetros que se elijan. En el límite termodinámico, típicamente hablamos de un sistema en términos de su temperatura, o calor que posee, etc. pero para sistemas más pequeños, a menudo sabremos acerca de la posición/momento de cada partícula individual. La entropía es la incertidumbre del estado interno del sistema para los parámetros dados. Entonces, si especificamos un sistema en términos de todos sus grados físicos de libertad, su entropía será cero (aunque esto no es factible para sistemas grandes).
La segunda ley se aplica entonces a la entropía para los parámetros elegidos y siempre permanecerá igual o aumentará. (¡pero cualquier interacción que sufra el sistema debe poderse describir con estos parámetros!).
Como ejemplo, considere un sistema de dos volúmenes de gas a diferentes temperaturas. Luego los ponemos en contacto térmico: si describimos el sistema en términos de temperaturas y presiones de los dos subsistemas, la entropía del sistema aumentará. (el flujo de calor a diferentes temperaturas es irreversible) Mientras que si conociéramos las posiciones y el momento de todas las moléculas de gas, la entropía no cambiaría en este proceso. Aunque nunca sabremos esto en la práctica, ninguna de estas descripciones viola la segunda ley.
La importancia de la segunda ley es que, a menos que sus parámetros puedan describir completamente el estado interno de su sistema, la entropía de la descripción aumentará con el tiempo.