ENUNCIADOS DE LA SEGUNDA LEY

La Naturaleza intrínseca subyacente a la Segunda Ley es tan sutil que no ha sido posible ponerse de acuerdo para encontrar una única definición de la misma. En esta entrada facilitamos algunas de las definiciones más importantes y queda ya en manos del lector el combinarlas y abstraerse para sacar su propia conclusión, pueda o no ser expresada por palabras.

• La entropía del Universo tiende a un máximo, por lo que no para de aumentar.
• Si consideramos el Universo como un sistema aislado se producirán espontáneamente los procesos en los que la entropía aumente.
• en una reacción química la entropía sí puede aumentar (porque se trata de un sistema abierto) y además lo que indica que ésta sea espontanea o no es el signo en el incremento de la energía libre de Giggs y no de la entropía como se verá más adelante).
• Es fácil convertir completamente trabajo mecánico o energía interna de un sistema en calor, pero resulta imposible extraer calor o energía interna de un sistema y convertirlo completamente en trabajo mecánico sin otro cambio adicional (falta de simetría entre trabajo y calor).
• Una transformación cíclica de un sistema que intercambia calor con una sola fuerte térmica no puede producir trabajo (enunciado de Lord Kelvin).
• Es completamente imposible realizar una transformación cuyo único resultado final sea el de cambiar en trabajo el calor extraído de una fuente que se encuentra a la misma temperatura.
• Ningún proceso espontáneo es posible cuyo único resultado sea el paso de calor de un recinto a una determinada temperatura a otro recinto de mayor temperatura (enunciado de Clausius).
• No es posible para una máquina cíclica llevar continuamente calor de un cuerpo a otro que está a temperatura más alta, sin que al mismo tiempo se produzca otro efecto (de compensación).
• Es imposible transferir calor (en forma natural) desde una región de temperatura más baja a una región de temperatura más alta.

SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

Esta es probablemente la Ley más importante de la Física aunque los físicos prefieran dedicarse al estudio de los cada vez más pequeño y lo cada vez más alejado como si prefirieran obviar la Realidad cotidiana evadiéndose con lo remoto e inalcanzable.

La segunda Ley es simple y es compleja. Surge del estudio concreto de la máquina de vapor pero acaba teniendo un rango de aplicación e interpretación que lo inunda todo.

El Segundo Principio de la Termodinámica es tan paradójico que ni siquiera hay un único enunciado del mismo, sino que hay varios enunciados y nadie se pone de acuerdo en cual es el más apropiado de todos.

Desde el punto de vista de los procesos termodinámicos en una máquina térmica como la máquina de vapor el segundo principio nos dice que hay una cantidad, llamada entropía, que se conserva a lo largo del ciclo siempre y cuando éste se produzca de forma reversible, o que aumenta si el ciclo sigue un proceso irreversible.

Clausius definió la entropía como S = Q/T, donde Q es el calor intercambiado durante un proceso dado y T la temperatura a la que éste se produjo, y llegó a las conclusiones expuestas en el enunciado anterior tras analizar el proceso reversible y otro irreversible en un ciclo de Carnot.

Sin embargo, a principios del siglo XX surge una nueva visión a partir del nacimiento de la Mecánica Cuántica, cuya aplicación a los sistemas con muchas partículas deriva en la Mecánica Estadística, de donde surge una nueva definición de la entropía, esta vez en base al universo microscópico de la materia. Esta nueva definición arroja un nuevo enfoque. La entropía da una medida del desorden interno de un sistema dado.

Por lo tanto, como en el Universo hay una combinación de procesos reversibles e irreversibles, la entropía del Universo está en constante aumento, evolucionando hacia un estado de máximo desorden.

La paradoja está en que la vida es justo la consecuencia de lo contrario: el orden. En esta paradoja no hay contradicción ya que una reacción química puede producirse con una disminución de entropía siempre y cuando la entropía del entorno aumente más, de forma que la entropía total del Universo haya aumentado.

TEORÍA DE BANDAS

Los electrones tienen que saltar para pasar de la banda de valencia a la banda de conducción.

En los conductores (como los metales) la barrera que tienen que superar es tan pequeña (banda prohibida) que prácticamente con las oscilaciones térmicas debidas a la temperatura todos los electrones de la última banda de valencia pasan a la de conducción.

En los semiconductores la banda prohibida es más ancha por lo que se necesita un poco de ayuda externa para favorecer el salto y poblar la banda de conducción. Eso lo facilita el campo eléctrico externo creado por una pila o fuente de voltaje.

En los aislantes la banda prohibida es tan ancha que la conducción no es posible aunque siempre habrá unos pocos electrones que salten a la banda superior (a no ser que estuviéramos en la temperatura cero absoluto).

Para comprender el origen de la formación de bandas energéticas características de cada material hay que partir de los niveles energéticos discretos asociados a los electrones de un átomo aislado según la Mecánica Cuántica y ver como degeneran al ser combinados en un número del orden del número de Avogadro al constituirse en una red cristalina. Ver vídeo para más detalles.