¿Por qué la entropía permite que el calor se convierta en trabajo?

La química física me ha hecho cuestionar todo.

Recientemente, estaba pensando: "¿por qué es posible convertir el calor en trabajo?"

Por lo que aprendí, una máquina térmica puede tomar energía y convertirla en trabajo. Sin embargo, el calor se puede definir como más "desordenado" que el trabajo (porque en el calor, las partículas son más "aleatorias", pero en el trabajo, están más "organizadas". Déjame saber si quieres que me expliquen).

Entonces, si el calor está más desordenado, tener más calor y menos trabajo significa que hay mayor entropía. Por lo tanto, cuando convertimos calor en trabajo, estamos disminuyendo la entropía, ¿no es así? Y no es solo la entropía del sistema, sino del universo (porque el calor lo obtenemos del entorno).

Entonces, si de acuerdo con la segunda ley, la entropía solo puede aumentar, ¿cómo es posible convertir el calor en trabajo? ¿Qué estoy entendiendo mal?

La entropía solo puede aumentar en general. Pero es posible reducir la entropía en una región del espacio si aumentas la entropía en otra parte al mismo tiempo.
Ver la última actualización de mi respuesta. Si necesita más aclaraciones, con gusto se las proporcionaré. Espero eso ayude.

Respuestas (1)

Por lo que aprendí, una máquina térmica puede tomar energía y convertirla en trabajo. Sin embargo, el calor se puede definir como más "desordenado" que el trabajo (porque en el calor, las partículas son más "aleatorias", pero en el trabajo, están más "organizadas". Avísame si quieres que te elabore U

Aprendiste correctamente.

Por lo tanto, cuando convertimos calor en trabajo, estamos disminuyendo la entropía, ¿no es así?

Una vez más tienes razón. Sin embargo, un motor térmico que opera en un ciclo solo puede convertir en trabajo parte del calor entrante de una fuente de alta temperatura. Se debe desechar la otra parte del calor entrante a un ambiente de menor temperatura. Una versión de la segunda ley es que es imposible operar un motor en un ciclo en el que intercambia calor con un solo depósito de temperatura y lo convierte completamente en trabajo. Siempre debe haber calor desechado a un depósito de menor temperatura.

Entonces, si de acuerdo con la segunda ley, la entropía solo puede aumentar, ¿cómo es posible convertir el calor en trabajo? ¿Qué estoy entendiendo mal?

Lo que entiendes mal es que no estás teniendo en cuenta el aumento de entropía del entorno debido a la necesidad de que se descarte calor al entorno. Sí, el calor que el motor toma del ambiente de alta temperatura disminuye la entropía del ambiente de alta temperatura (convierte la energía desordenada en energía ordenada, es decir, trabajo). Pero el calor desechado al ambiente de baja temperatura aumenta la entropía del ambiente de baja temperatura.

Para todos los ciclos reales (irreversibles), el aumento de la entropía del medio ambiente debido al calor desechado es mayor que la disminución de la entropía del medio ambiente debido a que se toma calor del medio ambiente para realizar el trabajo. Dado que para cualquier ciclo completo el cambio de entropía del sistema (máquina térmica) es cero, el cambio total de entropía del universo (sistema + entorno) será mayor que cero.

Lo mejor que puedes hacer es un ciclo reversible, donde el cambio total de entropía es cero. El más eficiente de los ciclos reversibles que operan entre dos depósitos a temperatura constante es el ciclo de Carnot.

Si necesita un ejemplo específico, puedo modificar mi respuesta.

Espero que esto ayude.

"... el aumento de la entropía del medio ambiente debido al calor desechado es mayor que la disminución de la entropía del medio ambiente debido a la toma de calor del medio ambiente para hacer el trabajo..." - Excelente explicación, tiene mucho sentido. ¡Muchas gracias!
@F16Falcon De nada. Me alegro de que haya ayudado.
@ F16Falcon, piénsalo de esta manera. No es tan importante que el calor sea más desordenado que el trabajo (lo que sea que eso signifique). La energía de cualquier forma se conserva, pero si tiene un motor térmico disponible y puede "dejar caer" el calor de alta temperatura a través de una gran diferencia de temperatura, puede obtener un trabajo útil de esa energía a medida que pierde temperatura. Esa diferencia de temperatura es absolutamente necesaria si desea convertir parte del calor en trabajo.
@DavidWhite Tienes toda la razón, sin embargo, me preguntaba sobre el aspecto de la entropía del concepto, en lugar del "mecanismo físico" de cómo el calor puede convertirse en trabajo. Disculpas, es posible que mi título no haya dejado eso muy claro. Lo modificaré.
"Debe desechar la otra parte del calor entrante a un ambiente de menor temperatura" Esta línea me confunde. Suena como si estuvieras diciendo "cada vez que tomas un trago, tienes que derramar un poco de vodka por los dioses". ¿Cómo se "hace cumplir" esto, por así decirlo? ¿Qué le impide usar toda la energía para hacer el trabajo y saltarse el tiro derramado? ¿En qué parte del sistema esto falla o la asíntota se detiene?
@Tal En teoría, puede convertir completamente el calor en trabajo en un PROCESO. Un ejemplo es un proceso de expansión isotérmica reversible. Pero no se puede producir trabajo NETO en un CICLO completo sin desechar algo de calor. Viola la segunda ley. Si me puede dar un ejemplo de un ciclo completo que produzca trabajo neto sin rechazar algo de calor, soy todo oídos.
¿No es esa una propiedad autosatisfactoria? Si todo el calor se convierte en trabajo, no queda nada en el sistema para completar el ciclo. ¿Estoy malinterpretando la diferencia entre un proceso y un ciclo al definirse por la falta de un ciclo completo, cuya finalización no es posible sin que algo se vuelva a convertir?
¿Por qué la entropía permite que el calor se convierta en trabajo?
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