¿Qué significa realmente la segunda ley de la termodinámica?

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía total de un sistema aislado nunca disminuye con el tiempo. Hay un par de detalles en esta oración, que vale la pena señalar:

• Puede disminuir la entropía localmente , pero no globalmente: por ejemplo, considere un refrigerador. Aquí disminuimos la temperatura localmente (=dentro del refrigerador), lo que conduce a una disminución local de la entropía. Sin embargo, la entropía del sistema completo aumenta al transferir calor del lugar más frío al más cálido. Por lo tanto, las palabras total (entropía) y aislado (sistema) son importantes.
• Es posible tener un proceso que mantenga constante la entropía total. Por lo tanto, la entropía no tiene por qué aumentar estrictamente con el tiempo. Por lo tanto, en la segunda ley "nunca decrece con el tiempo" a menudo se reemplaza por "siempre aumenta con el tiempo". Sin embargo, ninguno de los físicos suele confundir el aumento con el aumento estricto .

• Como la entropía está ligada al desorden por la ley de la física estadística (ver más abajo), la primera afirmación suya

  El desorden siempre aumenta

  es equivalente a la definición superior.

• Tu segunda definición

  el calor siempre fluye de un objeto caliente a uno frio

  es una consecuencia de la definición dada anteriormente (la idea se presenta a continuación). Al hacer el cálculo encontramos que el desorden aumenta si el calor se transfiere de lo cálido a lo frío y que la transferencia de calor se detiene en el equilibrio térmico .

• Tu tercera definición

  La energía inutilizable de un sistema siempre aumenta.

  es también una reafirmación de la definición superior. Sin embargo, uno tiene que preguntarse cómo medimos la "usabilidad" de la energía. Esto conduciría a la entropía.

En estad. La entropía física se define como

• El primer estado es el estado fundamental. No se necesita energía para colocar una partícula en este estado.
• El segundo estado es un estado excitado. Necesitamos una unidad de energía para colocar una partícula en este estado.

Ahora suponga que se le dan 10 unidades de energía y no se permite que las partículas cambien de compartimiento. Sin embargo, se permite que la energía cambie el compartimiento. Cuáles son las configuraciones posibles:

1. Una configuración es que todas las partículas en el compartimento izquierdo están en estado excitado. Entonces no quedan unidades de energía para el compartimento derecho. Por lo tanto, todas las partículas en el compartimento derecho están en estado fundamental. Entonces, solo tenemos una realización posible en la que las 10 unidades de energía están en el compartimento izquierdo. Por lo tanto, el número de microestados accesibles, donde 10 unidades de energía están a la izquierda y ninguna a la derecha, es 1.
2. Otra configuración es donde tenemos 9 unidades de energía en el compartimento izquierdo y 1 en el derecho. ¿Cuántos microestados diferentes tenemos? Bueno, en el compartimento izquierdo cada partícula podría ser la que está en estado fundamental. Por lo tanto, aquí tenemos 9 estados diferentes. En el compartimento derecho cada una de las partículas podría estar en estado excitado. Por lo tanto, nuevamente tenemos 9 estados posibles. en total tenemos$9\cdot 9 = 81$diferentes microestados. Por lo tanto, la entropía de este estado es mucho mayor que la entropía del estado, donde las 10 unidades de energía están en el compartimento izquierdo.
3. Si continúa así, encontrará que el estado donde el número de microestados accesibles es mayor es "5 unidades de energía están en el compartimento izquierdo y 5 en el derecho". Este es el estado de equilibrio, donde ambos compartimentos tienen la misma "temperatura".

La base de esta lógica es la ley de "igual probabilidad a priori".

Aquí hay un movimiento vigoroso del agua en un campo eléctrico, obviamente capaz de producir trabajo, por ejemplo, al hacer girar una rueda hidráulica:

"La formación del puente de agua flotante, incluidas las averías eléctricas" https://www.youtube.com/watch?v=17UD1goTFhQ

“El movimiento del agua es bidireccional, es decir, fluye simultáneamente en ambas direcciones”. https://www.wetsus.nl/home/wetsus-news/more-than-solo-a-party-trick-the-floating-water-bridge-holds-insight-into-nature-and-human-innovation/ 1

¿El trabajo se realizará a expensas de qué energía? La primera hipótesis que se me ocurre es:

A expensas de la energía eléctrica. El sistema es, esencialmente, un motor eléctrico.

Sin embargo, una inspección más cercana sugeriría que la hipótesis es insostenible. Los científicos utilizan agua triplemente destilada para reducir al mínimo la conductividad y la corriente eléctrica que pasa por el sistema. Si, por alguna razón, la corriente aumenta, el movimiento se detiene; dicho sistema no puede ser un motor eléctrico.

Si el sistema no es un motor eléctrico, entonces es... ¡una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo! Aquí los argumentos que describen las máquinas de movimiento perpetuo como imposibles, idiotas, etc. son irrelevantes; el siguiente condicional es válido:

SI EL SISTEMA NO ES UN MOTOR ELÉCTRICO, entonces es una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo.

En otras palabras, si el trabajo no se realiza a expensas de la energía eléctrica, entonces se realiza a expensas del calor ambiental, en violación de la segunda ley de la termodinámica. No es concebible una tercera fuente de energía.

Un resumen conceptual, pero no matemáticamente riguroso, de la Segunda Ley es que las distribuciones desiguales de energía tienden a equilibrarse con el tiempo. Este es el resultado de la combinación del azar y la conservación de la energía y el impulso. Es difícil de probar para un caso general, pero es fácil proponer ejemplos convincentes.

Para tomar un ejemplo relacionado con KE, si dispara una partícula que se mueve rápidamente en una caja de partículas más lentas, tiene una distribución inicial de energía muy desigual. Con el tiempo, la partícula que se mueve rápidamente desencadenará una sucesión de colisiones aleatorias en las que se perderá el exceso de energía y la energía media de todas las demás partículas aumentará ligeramente.

Para tomar otro PE relacionado, imagina que tienes una caja en la que arrojas un poco de arena. La superficie de la arena comenzará irregular, con picos y valles, por lo que hay una distribución desigual de PE gravitacional. Si animas a que fluyan los granos de arena, agitando la caja de lado a lado, los granos de los picos caerán en los canales y la superficie se aplanará. Una vez que no hay desigualdades de PE, ya no hay ninguna fuerza que desencadene más movimiento, por lo que la arena se asienta en un estado estable.

Espero que puedas ver que el primer ejemplo que di muestra cómo el calor se transferirá de un cuerpo más caliente a uno más frío, ya que el calor es solo una medida de la KE de las partículas.

A partir de ambos ejemplos, debería poder ver que cuando la energía se iguala, ya no está en una forma que sea capaz de tener ningún efecto adicional.

La explicación de la entropía como una medida del grado de desorden en un sistema siempre me ha parecido de valor conceptual limitado porque el concepto de 'orden' tiene que ser interpretado de una manera muy específica. Por ejemplo, si considera mi segundo ejemplo, una interpretación cotidiana de la palabra 'orden' lo llevaría a concluir que la arena sedimentada parece más limpia y ordenada, de modo que el grado de orden ha aumentado.