La segunda ley de la termodinámica dice que el calor no puede fluir espontáneamente de un depósito más frío a uno más caliente, sino solo con el gasto de energía mecánica. Esto se toma como un postulado o ley en termodinámica. ¿Hay una razón más profunda (probablemente de la mecánica estadística) de por qué esto es así?
Bueno, técnicamente la energía puede fluir de un objeto más frío a uno más caliente. No hay ley física que lo prohíba. Sin embargo, la probabilidad de que esto suceda es tan baja que en realidad nunca lo vemos. Puedes imaginar que 2 objetos (supongamos que tienen la misma masa) están hechos de resortes (básicamente las moléculas) y cada uno de los cuerpos tiene un número de cuantos de energía (por lo que el más frío tiene menos cuantos). Cuando los pones en contacto, el número total de cuantos (la suma de los cuantos de los 2 cuerpos) ahora se puede distribuir en el número total de resortes de los 2 cuerpos. Así que puedes hacer algunas combinatorias básicas para comprobar cómo puedes distribuir estos cuantos en los resortes. Si haces eso, verás que hay muchas más combinaciones si distribuyes los cuantos por igual en los 2 cuerpos (por lo tanto, los cuantos del cuerpo más caliente tienen que ir al más frío, y esto es básicamente el flujo de calor), entonces si agrega algunos cuantos del frío al más caliente. En objetos de los tamaños a los que estamos acostumbrados hay algo del orden moléculas (resortes), por lo que la probabilidad de que un cuanto pase de frío a caliente es tan increíblemente pequeña que nunca se ve en el mundo real. Así que no hay una ley que obligue al calor a pasar de un cuerpo caliente a uno frío, es solo que es mucho más probable que eso suceda.
Todos los cuerpos irradian calor según la distribución del cuerpo negro para la temperatura a la que se encuentran.
Esta radiación es energía transferida radialmente lejos de los cuerpos, y su magnitud viene dada por la ley de Stephan Boltzmann . La radiancia (vatios por metro cuadrado por estereorradián) es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. Así, un cuerpo más frío irradiará mucho menos hacia el cuerpo caliente que el cuerpo caliente hacia el frío. Como el cuerpo caliente se enfriará por su radiación, la velocidad de enfriamiento será menor que si no hubiera un radiador frío cerca. Por otro lado, como la radiación entrante del cuerpo caliente es mucho mayor que la pérdida de radiación del cuerpo negro del cuerpo frío, el cuerpo frío se calentará.
Tal vez la imagen de la mecánica cuántica, o la radiación de fotones de energía h*nu, también ayude. Muchos más fotones de energía superior inciden desde el cuerpo caliente hacia el frío que desde el cuerpo frío hacia el caliente.
Editar después de que la pregunta se duplicó
Cuando uno está estudiando física, debe tener en cuenta de qué se trata: es una disciplina que utiliza modelos matemáticos para describir y predecir datos/medidas. Las ecuaciones matemáticas utilizadas para hacerlo tienen un número ilimitado de soluciones que son irrelevantes y contradictorias con los datos. Leyes, postulados, principios son destilaciones de observaciones y medidas que se imponen como axiomas a las matemáticas, para recoger el subconjunto de las funciones que describen y predicen medidas y observaciones.
En matemáticas, los axiomas pueden ser reemplazados por teoremas que luego son demostrables por los nuevos axiomas; de la misma manera postulados y leyes y principios pueden ser reemplazados por teoremas, estructuras matemáticas, pero la explicación es circular, lo mismo que reemplazando axiomas en matemáticas.
En esta respuesta, estoy usando datos, radiación de cuerpo negro, para "explicar" por qué se tuvo que asumir la ley.
Valerio