UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

TEMA: ENTROPIA

INTEGRANTES-ALMONACID GRANADOS JHONNY-PEREA ARANIBAR SEBASTIAN

FECHA DE ENTREGA: 05/05/14CICLO ACADEMICO: 2014-1

Entropía

 

Etimológicamente “entropía”,   asociada   a   la termodinámica,   surgió   como   palabra acuñada del griego, de em (en: en, sobre, cerca de...) y sqopg (tropêe: mudanza, giro, alternativa, cambio, evolución).

La termodinámica,  por  definirla  de una manera  muy simple,  fija  su  atención en el interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro y tiene sus propias leyes.

Uno de   los   soportes   fundamentales  de   la  Segunda Ley  de  la  Termodinámica  es   la función denominada entropía que sirve para medir el grado de desorden dentro de un proceso y permite distinguir la energía útil, que es la que se convierte en su totalidad en trabajo, de la inútil, que se pierde en el medio ambiente.

La segunda ley de la termodinámica fue enunciada por S. Carnot en 1824. Se puede enunciar de muchas formas, pero una sencilla y precisa es la siguiente:

“La evolución espontánea de un sistema aislado se traduce siempre en un aumento de su entropía.”

La   palabra   entropía   fue   utilizada   por   Clausius   en   1850  para   calificar   el   grado   de desorden de un sistema. Por tanto la segunda ley de la termodinámica está diciendo que los sistemas aislados tienden al desorden, a la entropía.

Este desorden se grafica en la mayor o menor producción de energía disponible   o   no  disponible,   y   sobre  esta   base,   también  podemos definir   la entropía como el índice de la cantidad de energía no disponible en un sistema termodinámico dado en un momento de su evolución.

Según  esta  definición,  en   termodinámica  hay  que  distinguir   entre energía disponible o libre, que puede ser transformada en trabajo y energía no disponible o limitada, que no puede ser transformada en él.

Para comprender conceptualmente lo dicho, analicemos el ejemplo de un reloj de arena, que es un sistema cerrado en el que no entra ni sale arena.

La cantidad de arena en el reloj es constante; la arena ni se crea ni se destruye  en ese   reloj.  Esta  es   la  analogía  de   la  primera   ley  de   la termodinámica: no hay creación ni destrucción de la materia-energía.

Aunque la cantidad de arena en el reloj es constante, su distribución cualitativa está constantemente cambiando: la cavidad inferior se va 

llenando, mientras la cavidad superior se vacía. Esta es la analogía de la segunda ley de la   termodinámica,   en   la   que   la   entropía   (que   es   la   arena   de   la   cavidad   inferior) aumenta constantemente.

Abajo, aumenta la entropía.

La arena de  la  cavidad superior   (la  menor  entropía)  es  capaz  de hacer  un trabajo mientras cae, como el agua en la parte superior de una catarata. La arena en la cavidad inferior (alta entropía) ha agotado su capacidad de realizar un trabajo. El reloj de arena no puede darse la vuelta: la energía gastada no puede reciclarse, a menos que se emplee más energía en ese reciclaje que la que será desarrollada por la cantidad reciclada.

También   podemos   hacer   el   análisis   tomando   como   ejemplo una cadena trófica.

En  las  cadenas   tróficas  al   ir   subiendo de nivel   (de  productores  a consumidores) se va perdiendo energía química potencial. A medida que subimos en los niveles de la cadena, el contenido total de este tipo de energía es menor pero va aumentando la liberación de otro tipo  de  energía:   El   calor.   Este  último es  un  tipo  de  energía   con menor   probabilidad   de   aprovecharse   ya   que   podemos   generar menos trabajo con este tipo de energía que con la energía química potencial.

Al  proceso por el  cual   la  energía pierde su capacidad de generar trabajo útil o,  mejor dicho,  se transforma en otra energía que es menos aprovechable, se le llama entropía.

Mirado desde otro punto de vista, y para una comprensión y aplicación más general del concepto, la entropía se entiende como el grado de desorden de un sistema, así, por ejemplo, en la medida en que vamos subiendo niveles en la cadena trófica, cada vez tenemos menos control sobre la energía química potencial que sirve para generar trabajo ya que ésta se ha ido transformando en calor y nosotros podemos aprovechar (controlar) menos este tipo de energía, es decir va aumentando el grado de descontrol (desorden) que tenemos sobre la cadena trófica.

Por eso se dice que todo sistema biológico tiende a la entropía; es decir, al desorden.

Como   podemos   apreciar,   la   entropía   es   el   elemento   esencial   que   aporta   la termodinámica, ciencia de los procesos irreversibles, es decir orientados en el tiempo.

Ejemplos   de procesos irreversibles pueden   ser:   la   descomposición radioactiva, la fricción o la viscosidad que modera el movimiento de un fluido. Todos estos procesos poseen una dirección privilegiada en el tiempo, en contraste con los procesos reversibles.

Precisamente,   la   distinción   entre procesos reversibles e irreversibles la   introduce   en   termodinámica   el concepto de entropía, que Clausius asocia ya en 1865 al “segundo principio de la termodinámica”.

Todos hemos visto alguna vez un plato que se cae desde una mesa y se hace añicos contra el suelo. Lo que antes estaba ordenado en una única   pieza   de   porcelana,   se   convierte   en   una   multitud   de fragmentos   desordenados.   Pero   la   situación   contraria,   la recomposición de un plato  a  partir  de  sus   fragmentos  de manera espontánea, al menos que se sepa, no la ha visto nadie.

La entropía acabará con el Universo.

Fragmentos de plato con alta entropía.

La   ruptura   del   plato   es   un   suceso   natural   e   irreversible,   una   secuencia   temporal adecuada; su recomposición, en cambio, no lo es. Es la evolución natural del orden al desorden o, en términos científicos, la natural tendencia del Universo a aumentar su entropía.

Todos tenemos una cierta idea, intuitiva, de lo que significa orden y desorden, pero desconocemos que el paso de una situación a la otra implica, de forma indefectible, el final de todo movimiento, la muerte del Universo.

 

Experimento ----Entropía  

INSTRUMENTOS

2 vasos  Agua a 100 grados Celsius Agua a temperatura ambiente Cubos de hielo con colorante

Procedimiento

1. Calentar una cantidad de agua hasta su punto de evaporación,  luego verter parte   del   contenido   a   un   vaso.  Dejar   que   interactúe   térmicamente   con  el entorno.

2. Verter en un vaso  agua a temperatura ambiente.3. Luego verter un cubo de hielo teñido por colorante artificial en cada uno de los 

vasos. Observar.

Observaciones

Los vasos con agua tratan de llegar al equilibrio calorífico  En el vaso de agua a cien grados,   el hielo se fusiona   completamente y de 

forma  instantánea,  haciendo  que   la  pigmentación  amarilla  abarque   todo  el líquido de manera homogénea

En el vaso a menor temperatura la pigmentación se esparce de manera muy lenta  y en hileras 

La fusión total del hielo demoró alrededor de 25 min en el vaso con agua a menor temperatura

La temperatura final  registrada en el vaso con agua de mayor temperatura es 75 grados Celsius  debido a que llegó al equilibrio térmico.

Otro  experimento que nos llamó la atención es el siguiente:

Se puede violar la segunda ley de la termodinámica?

La entropía es una magnitud termodinámica muy importante a la hora de determinar si un proceso (desde un punto de vista termodinámico) puede ocurrir o no.

Primero hay que aclarar unos cuantos conceptos para entender la explicación de este fenómeno y por  qué en realidad no es  tan raro que suceda.  La clave está en tres cosas: flujo laminar, viscosidad y reversibilidad.

Pues bien, aquí es donde entra en juego la viscosidad. La viscosidad en física se define como   la   resistencia   que   un   fluido   opone   a   ser   deformado   mediante   fuerzas tangenciales. Una fuerza tangencial sería por ejemplo la que aplicamos al arrastrar los pies por la tierra. El suelo ofrece una cierta resistencia pero a base de aplicar fuerza cede.

El recipiente consiste en dos tubos cilíndricos,  concéntricos y transparentes que se llenan de glicerina o de  jarabe de maíz  que son ambos fluidos transparentes y con una gran viscosidad.

A   continuación   se inyectan varios puntos de colorante para   luego   girar   la manivela   lentamente  hasta  que se mezcla todo por completo. Y cuando   se   vuelve   sobre   lo andado   y   se   rota   en   sentido contrario todo vuelve a su sitio, contraviniendo   la   intuición.   Ya tenemos   una   parte   del   truco desvelada:   la velocidad de rotación es baja, esto junto con una   alta   viscosidad   y   un diámetro   pequeño   hace   que el número de Reynolds sea muy bajo: esto garantiza que el flujo va a ser laminar.

Como   el   fluido   es   viscoso   se opone a las fuerzas tangenciales, esta fuerza la va a ejercer la pared del recipiente ya que las moléculas que la componen interaccionan mediante las  fuerzas de van der Waals con las moléculas que componen el fluido viscoso.

Otra  parte  del   truco  es  evitar   los   fenómenos  de  difusión  entre   los  dos  fluidos.  Si dejásemos   las   gotas   de   tinta,   el   fluido   se   iría   difundiendo   en   el   interior   del transparente difuminando la mancha. Este proceso es mucho más lento de lo que va a llevar   hacer   el   experimento   con   lo   cual,   podemos   olvidarnos   en   parte   de   este fenómeno. Así que lo que tenemos es que cuando rotamos el cilindro, las capas del fluido van a desplazarse sin que existan turbulencias con toda tranquilidad y al volver sobre nuestros pasos, todo vuelve a su sitio.

Es parecido a si disponemos una baraja de cartas y la abrimos sobre la mesa aplicando una fuerza tangencial con la mano y luego, la volvemos a agrupar. Si lo hacemos lo bastante lentamente y con cuidado, no se va a romper la baraja y todas las cartas vuelven a su sitio sin mayor problema. Esto no le sorprende a nadie, ¿verdad que no? Pues es lo mismo, solo que las cartas son las capas del fluido en régimen laminar.

Aquí aparece el tercer protagonista a colación: la reversibilidad. Un proceso reversible lo podemos entender como aquel proceso que si vemos marcha atrás, no se rompe 

ninguna ley física. Si una taza se cae, se derrama y se rompe, no tiene sentido físico considerar que la taza recupere el líquido y se recomponga. Es un proceso irreversible. En cambio el de la baraja no lo es. De igual modo, la difusión del fluido es un proceso irreversible.

Siendo  más  prosáico,  un  proceso   reversible  es  aquel  que  conecta  dos  estados  de equilibrio y hace que el sistema no abandone el equilibrio en ningún paso intermedio. Podemos llenar la cuchara de comida y llevarla a la boca y si queremos, llevarla de vuelta al plato sin que se viole ninguna ley física, porque la cuchara y la comida han estado en todo momento atravesando estados de equilibrio. Si la comida se derrama por el camino ya no podemos repetir el proceso marcha atrás porque la comida no va a volver a la cuchara por arte de magia ¿verdad?

Pues con este proceso, todo ese cuidado que se ha impuesto en las condiciones del experimento acerca del flujo laminar, la baja difusión y demás es lo que garantiza que el proceso sea reversible.

Como el estado inicial es el mismo que el estado final y la entropía depende del estado y no de cómo se ha llegado a él, al ser el mismo el inicial que el final, no hay variación neta de entropía y por tanto no se viola ninguna ley termodinámica.

De las leyes de la termodinámica podemos deducir que en un proceso espontáneo, la entropía   del   universo   (es   decir,   todo   lo   que   rodea   a   nuestro   sistema)   aumenta. Además, los procesos espontáneos son irreversibles.

Al universo le gustan los procesos irreversibles dado que son más convenientes desde un punto de vista energético. Por eso tu habitación no se arregla sola, por eso  los auriculares en el bolsillo se lían hasta alcanzar estados de anudación difíciles de creer, y por eso en este experimento controlando aquellos factores que podrían impedir la reversibilidad, se consigue engañar a la intuición.