UNIVERSIDAD EXPERTIMENTAL LIBERTADORINSTITUTO PEDAGOGICO DE MARACAY

RAFAEL ALBERTO ESCOBAR LARADEPARTAMENTO DE QUIMICA

SEGUNDA LEY TERMODINAMICADEL

ORDEN AL DESORDEN

Dra. Belkys Hidalgo

CONTENIDO

1.-Espontaneidad. Necesidad de una segunda ley.

2.-Segundo Principio de la Termodinámica. Entropía.

3.-Cálculos de entropía.4.-Entropías absolutas. Tercer principio de la

Termodinámica5.-Interpretación molecular de la entropía

Introducción

Si un huevo cae y se rompe en el piso, es prácticamente imposible recolectar todas las moléculas del huevo y formar uno nuevo.

La tendencia normal de todo proceso es cambiar de un estado improbable a uno más probable

Segunda ley de la termodinámica La experiencia común nos

dice que una taza de café caliente dejada en un cuarto frío de enfría después de un cierto tiempo.

Este proceso satisface la Primera Ley de la Termodinámica porque la cantidad de energía perdida por el café es igual a la cantidad de energía ganada por el aire circundante.

¿Es posible el proceso contrario?, es decir, el café caliente se pone más caliente en un cuarto más frío como resultado de transferencia de calor del aire del cuarto. Se sabe que dicho proceso nunca ocurrirá, sin embargo, no violaría la Primera Ley a condición que la cantidad de energía perdida por el aire fuera ganada por el café.

El proceso anterior toma su curso en una cierta dirección y no en el sentido contrario. La Primera Ley no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que dicho proceso ocurrirá realmente. Esto se puede remediar al introducir una segunda ley, la Segunda Ley de la Termodinámica.

El proceso inverso discutido anteriormente viola la Segunda Ley de la Termodinámica, lo que se detecta fácilmente a través de una propiedad llamada Entropía.

CLAVES

La Segunda Ley de la Termodinámica impone ciertas restricciones al flujo de calor de un sistema a otro y a la conversión de calor en trabajo. Al mismo tiempo suministra un medio para predecir si un proceso termodinámico es posible o no. Por ejemplo, si una reacción química determinada puede ocurrir bajo ciertas condiciones específicas.

Proposiciones sobre la Segunda ley de la termodinámica

•Proposición de Clausius: El calor puede pasar por sí mismo bajo cualquier circunstancia de una temperatura alta otra inferior, pero no en sentido contrario.

Todos los sistema tienden a acercarse a un estado de equilibrio.

•Proposición de Carnot: Es posible construir una máquina que operando cíclicamente no produzca otro efecto que la absorción de calor de un depósito y su conversión en una cantidad equivalente de trabajo.

•Proposición de Kelvin: En todo sistema cuya energía permanece constante, la entropía puede aumentar o permanecer constante, pero nunca disminuir.

El concepto de Entropía

Es una magnitud que nos entrega el grado de desorden o caos de un sistema.

Si algo se ordena es porque recibe energía externa al sistema. La entropía se aplicó inicialmente a sistemas termodinámicos para tener una idea de la cantidad de calor disipado por un cuerpo.

En un cuerpo que libera energía calórica, las moléculas que lo componen se mueven a mayor velocidad chocando unas con otras, y en cada choque de moléculas se libera alguna cantidad de energía en forma de calor.

La entropía, al igual que la energía térmica, está contenida en el objeto. Si aumenta el calor de un objeto, aumenta su entropía; si el calor disminuye, su entropía es menor. Si un objeto realiza trabajo sin cambio en la temperatura, la entropía no cambia si se desprecia el roce.

1.- Los procesos espontáneos tienden a aumentar la entropía hasta un valor máximo.

2.- La segunda ley provee criterios para determinar si un proceso se producirá o no pero no nos dice nada acerca de la velocidad del proceso. La termodinámica permite predecir si un proceso ocurrirá espontáneamente.

3.- La cinética química permite predecir a qué velocidad se produce dicho proceso.

SINTESIS

ENTROPÍA Y TERMODINÁMICA

La palabra entropía proviene del griego y significa evolución

La entropía es una medida del desorden de un sistema físico.

La entropía o energía de generada en un sistema aislado, permanece constante o se incrementa, nunca puede disminuir.

En ciertos procesos, el orden puede aumentar siempre que el desorden aumente en otros lugares

¿Por qué unos procesos ocurren en un sentido y no en el contrario?

ds=

El concepto de Entropía•Es una medida cuantitativa del desorden.

•Se define el cambio infinitesimal de entropía ds durante un proceso reversible como:

dQrev

T

•La entropía es una función de estado del sistema.

•Para calcular la variación de entropía en procesos irreversibles basta encontrar un camino reversible que conecte los estados inicial y final del sistema.

La entropía puede considerarse como una medida de la probabilidad (desorden)

S -

S -

S -

S -

Una medida del grado de desorden de un sistema.

Los sistemas moleculares tienen una tendencia hacia el máximo desorden.

Entropía

La segunda ley se puede resumir como:

ΔSsistema+ΔSentorno= ΔSuniverso > 0

Entropía

Baja entropía

•Hielo a 0ºC.

•Un diamante a 0ºK.

•Una molécula de proteína en su conformación nativa.

Alta entropía

•Agua a 0ºC.

•Un diamante a 106 ºK.

•La misma molécula de proteína en un entorno desnaturalizante, desplegada.

Entropía (S)

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA ENTROPÍA.

1aLey Energía interna (U)2aLey Entropía (S)

ΔS= S2 - S1 = ∫T2

T1

dQrev

T

Función de estado

Propiedad extensiva

Unidades: J/ºK

DERIVASIONES

1.- Cualquier proceso que ocurre espontáneamente produce un aumento de entropía del universo

Criterio de espontaneidad: ΔSuniv> 0Suniv

proceso

tiempo

equilibrio

2.-En todo proceso reversible, la entropía del universo permanece constante

3.-En todo proceso irreversible, la entropía del universo aumenta.

Proceso reversible: ΔSuniv = ΔSsis +Δsent = 0

Proceso irreversible: ΔSuniv = ΔSsis+ Sent> 0

4.-La entropía del Universo nunca puede disminuir

Procesos reversibles

ΔS=0

Procesos irreversibles

ΔS>0

Otras Formulaciones

Máquina térmica (Kelvin):

Es imposible extraer calor de un sistema a una sola temperatura y convertirlo en trabajo mecánico sin que el sistema o los alrededores cambien de algún modo.

T

Q

Máquina WNo e

s posi

ble

Refrigerador térmico (Clausius):

Es imposible un proceso espontáneo cuyo único resultado sea el paso de calor de un objeto a otro de mayor temperatura

T

Qh

REFRIGERADOR

Qc

h

Tc

No es

posible

La Segunda Ley de la TermodinámicaMientras que la transformación del trabajo en calor es siempre posible, el proceso inverso es posible sólo si se respetan algunas condiciones, establecidas según la Segunda Ley de la Termodinámica, una ley que se puede expresar de varias maneras. Dos enunciados de dicha ley son los de Kelvin y de Clausius.

ENUNCIADO DE KELVINEs imposible realizar una transformación cuyo único resultado sea convertir en trabajo todo el calor absorbido a partir de una sola fuente.

ENUNCIADO DE CLAUSIUSEs imposible realizar una transformación cuyo único resultado sea transferir calor de un cuerpo a otro que tenga una temperatura mayor o igual que la del primero.

T2

Máquinatérmica W

q2

q1

T1<T2

El Ciclo de Carnot

Llamado también el cicloSadi Carnot indicaba la necesidad de dos fuentes térmicas para que una máquina térmica pudiése funcionar.

Se llama máquina térmica a todo aparato que transforma el calor en trabajo, o viceversa, y ninguna de ellas tiene un rendimiento del 100 %.

El Ciclo de Carnot

El Ciclo de Carnot

T2

Máquinatérmica W

q2

q1

T1<T2

El ciclo de Carnot está constituido por una expansión isotérmica a la temperatura T2, una expansión adiabática, una compresión isotérmica a la temperatura T1 y una compresión adiabática.

INTERPRETACIÓN MOLECULAR DE LAENTROPÍA

Un sistema puede describirse de dos formas:* Macroscópicamente(P, V, T)* Microscópicamente(posición y velocidad de cada átomo)

Con un estado macroscópico hay muchos estados microscópicoscompatibles.

La entropía es una medida del número de estados microscópicosasociados con un estado macroscópico determinado.

Estado macroscópico:* Ordenado* Desordenado

Estado microscópico:* Orden exacto de los naipes

SEGUNDA LEY: El Flujo del Calor

En la naturaleza el calor fluye espontáneamente en sólo una dirección, del reservorio caliente al frío.

La segunda ley confirma que la acción opuesta del paso de la energía del reservorio frío al caliente no puede suceder espontáneamente.

La única manera que esto puede pasar es introduciendo al sistema energía desde el exterior, como sucede en un refrigerador

LAS LIMITACIONES DEL UNIVERSOEl envejecimiento y la muerte son buenos ejemplos de la direccionalidad de la naturaleza y manifiestan la importancia de la segunda ley.

La entropía nos lleva a contemplar la muerte del Universo.

Llegara una época en que todas las estrellas se hayan enfriado y la temperatura en todo el Universo sea uniforme.

En este momento la entropía será máxima y será la muerte térmica del Universo.

Ejercicio :

5 moles de un gas ideal ( CV= 1,5 R) se encuentran contenidos adiabáticamente a 50 atm de presión y a 300 K. Súbitamente la presión cambia a 10 atm sufriendo el gas una expansión irreversible, durante la cual realiza 4000 Joules de trabajo. Muestre que la temperatura final del gas después de la expansión irreversible es mayor que la que alcanzaría si la expansión se hubiese llevado a cabo reversiblemente. Calcule la entropía producida como resultado de la expansión irreversible.