Entropia y Aplicaciones Prácticas

ENTROPIA Y APLICACIONES PRÁCTICAS

Definición La entropía tiene precisas definiciones matemáticas y estadísticas, y se define como la tendencia natural y universal a la pérdida de orden en un sistema cerrado, o la incertidumbre en un sistema, es decir, es una variable que de algún modo cuantifica cuán homogéneo o heterogéneo es un sistema considerado. Originalmente, y de forma estricta, es un concepto de la termodinámica, por lo tanto la entropía es función de estado (presión, temperatura, volumen, cantidad de materia); materi a); mejor dicho, una magnitud que mide la parte de energía que no puede utilizarse para realizar un trabajo. El concepto de entropía fue primeramente usado por Rudolf Clausius, el año 1854 y la denominación fue dada también por Clausius en 1865 en orden de hacer más claro el significado de la segunda ley de la termodinámica, y con el fin de caracterizar matemáticamente la irreversibilidad de procesos físicos tales como una transformación de trabajo en calor ,. En otras palabras, la entropía es una propiedad extensiva de un sistema y algunas veces se le conoce como la entropía total. La entropía por unidad de masa, denominada s, es una propiedad intensiva y se mide con la unidad kJ/ (kg ºk). Por otro lado la entropía existe en todos los sistemas, no vivientes y vivos, que poseen la energía libre para hacer el trabajo. trabaj o. A medida que disminuye la energía del sistema, aumenta la entropía. Si un sistema está aislado o separado de todas las entradas de materia y energía, tenderá hacia un máximo, de acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica. Por esta razón la entropía es importante para el estudio de los sistemas de soporte vital, ya que ofrece una forma valiosa de definición y medición de sistemas sostenibles. Un sistema sostenible debe, por definición, asegúrese de que su nivel de entropía no se eleva al máximo, como máxima entropía es equivalente a la muerte del sistema, igual mente llamado

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equilibrio termodinámico. Para ser sostenible, el sistema debe tener los subsistemas de soporte de vida que pueden garantizar el suministro de la materia, la energía libre, y la información suficiente para mantener los niveles por debajo de la máxima entropía. Para resumir, este fenómeno se observó inicialmente en los sistemas termodinám icos, tales como baños de calor. Un sistema aislado es aquel que está cerrado a los insumos de materia y energía. Esto significa que no se puede añadir ninguna energía de calor al sistema, este nunca puede llegar a ser más caliente, pero sólo puede seguir teniéndola misma temperatura, o disminuirla. A medida que pierde calor a través del tiempo, aumenta su entropía, hasta que finalmente alcanza su máximo. Tales sistemas termodinámicos, que se encuentran en la naturaleza, son "sistemas irreversible", donde el calor no puede fluir de frío a caliente en las paredes del sistema, sino sólo de las zonas más calientes a frías. Aunque hoy todavía todavía tenemos que considerar que la materia domina a la radiación, hasta que no logremos desentrañar el misterio de la energía oscura, por ello, solo podemos decir que la historia es muy distinta si comparamos sus entropías. La entropía total de un gas en equilibrio es proporcional al número total de sus partículas. Comparemos la entropía de la materia (básicamente el número total de partículas nucleares de que las galaxias se componen) con la entropía fotonica (proporcional (proporc ional al número total de fotones). En el universo actual la densidad numérica de las partículas nucleares (protones y neutrones) es de más o menos una partícula nuclear por metro cúbico. (Se trata de una cifra de discusión contingente, pero ello no afecta muy significativamente nuestra explicación, ya que también podrían ser diez). El número de fotones que hay por metro cúbico es de unos 400 millones, cifra que viene dada por la temperatura actual del universo (3° K). Así que la relación entre la entropía fotonica y la de la materia nuclear, independiente del volumen, lo que se denomina la entropía específica, es de400 millones (con incertidumbres de un factor de aproximadamente 10). Por tanto la entropía del universo está hoy casi toda en el gas radiante de fotones y no en la materia

El valor de la entropía específica tiene muchísima importancia porque determina la naturaleza del universo. Si la entropía específica fuese cientos de veces mayor de lo que es, podría demostrarse que el universo primitivo habría sido demasiado caliente para formar galaxias y, por tanto, no existirían las estrellas hoy. Por otra parte, si la entropía específica fuese mucho menor de lo que es hoy, el hidrógeno se habría convertido casi todo en helio



probablemente hostil al desarrollo dela vida. El universo es un sistema cerrado, y, en consecuencia, su entropía, (la que vemos está sobre todo en el gas de fotones) aumenta con el tiempo de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. Se forman galaxias y arden estrellas, vertiendo así al espacio fotones que se suman al gas de fotones previo. Esos procesos aumentan la entropía total del universo. Pero lo notable es que el aumento de la entropía total del universo, debido a todos esos procesos que se han producido a lo largo de la vida de todas las galaxias y estrellas, es sólo una diez milésima de la entropía que existe ya en los fotones de fondo, una fracción mínima. La entropía total del universo se halla hoy, a todos los efectos y propósitos, en el gas de fotones (si la radiación de la energía oscura no nos dice otra cosa) y se ha mantenido constante desde la gran explosión. La entropía es básicamente una cantidad conservada en nuestro universo



APLICACIONES En muchos textos de física, se hace una presentación de la segunda ley de la termodinámica aplicada a ciclos termodinámicos y a dispositivos cíclicos. Aunque este es un enfoque muy importante y útil, existen otros casos en que se tiene interés en procesos más que en ciclos. Por ejemplo, se podría estar interesado en el análisis que se puede hacer en base a la segunda ley de la termodinámica en procesos espontáneos que acontecen diariamente, tales como el proceso de combustión en un motor de un automóvil, el típico enfriamiento de un líquido a temperatura elevada que se encuentra en un recipiente al aire libre, la caída de un cuerpo tal como una piedra, o una pelota que está dando botes y termina por detenerse.

Siendo los frotamientos la principal causa de irreversibilidad de la entropía, comprendemos por qué tratamos de minimizarlos; es el fin de la lubricación de las piezas en contacto y en movimiento en un conjunto mecánico. Con la misma cantidad de esencia vamos a recuperar menos trabajo mecánico con arreglo a la velocidad del coche, cuanto más el coche va rápidamente y menos la distancia recorrida es grande.

La velocidad está allí, un factor de irreversibilidad . Una pila eléctrica abastece más de trabajo eléctrico si su funcionamiento se acerca a la reversibilidad, es decir si tiene una tensión débil y una corriente débil de funcionamiento. En cambio si se pone en cortocircuito los electrodos, prácticamente no recuperamos sólo, del calor.

Sistemas cerrados en regímenes estacionarios: la producción de entropía por unidad de tiempo está directamente relacionada con el flujo de entropía por transferencia de calor en la frontera del sistema. Muchos dispositivos prácticos satisfacen este modelo simple, por ejemplo Maquina frigorífica accionada por calor, transmisión mecánica, resistencia eléctrica.

Producción de entropía en dispositivos cíclicos simples: Se da en el estudio de la magnitud de las irreversibilidades en los procesos de transferencia de calor y en el interior de los propios dispositivos cíclicos durante el funcionamiento real basándose en la producción de entropía. Ejemplo un motor térmico irreversible con trasferencia de calor irreversible desde dos fuentes térmicas. Este ejemplo nos ilustra las perdidas relativas debidas a las irreversibilidades en función exclusivamente de la entropía



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