ENTROPIA Y APLICACIONES PRCTICAS

Definicin

La entropa tiene precisas definiciones matemticas y estadsticas, y se define como la

tendencia natural y universal a la prdida de orden en un sistema cerrado, o la incertidumbre

en un sistema, es decir, es una variable que de algn modo cuantifica cun homogneo o

heterogneo es un sistema considerado. Originalmente, y de forma estricta, es un concepto

de la termodinmica, por lo tanto la entropa es funcin de estado (presin, temperatura,

volumen, cantidad de materia); mejor dicho, una magnitud que mide la parte de energa que

no puede utilizarse para realizar un trabajo.

El concepto de entropa fue primeramente usado por Rudolf Clausius, el ao 1854 y la

denominacin fue dada tambin por Clausius en 1865 en orden de hacer ms claro el

significado de la segunda ley de la termodinmica, y con el fin de caracterizar

matemticamente la irreversibilidad de procesos fsicos tales como una transformacin de

trabajo en calor ,.

En otras palabras, la entropa es una propiedad extensiva de un sistema y algunas veces

se le conoce como la entropa total. La entropa por unidad de masa, denominada s, es una

propiedad intensiva y se mide con la unidad kJ/ (kg k).

Por otro lado la entropa existe en todos los sistemas, no vivientes y vivos, que poseen la

energa libre para hacer el trabajo. A medida que disminuye la energa del sistema, aumenta

la entropa. Si un sistema est aislado o separado de todas las entradas de materia y

energa, tender hacia un mximo, de acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinmica.

Por esta razn la entropa es importante para el estudio de los sistemas de soporte vital, ya

que ofrece una forma valiosa de definicin y medicin de sistemas sostenibles. Un sistema

sostenible debe, por definicin, asegrese de que su nivel de entropa no se eleva al

mximo, como mxima entropa es equivalente a la muerte del sistema, igualmente llamado

equilibrio termodinmico. Para ser sostenible, el sistema debe tener los subsistemas de

soporte de vida que pueden garantizar el suministro de la materia, la energa libre, y la

informacin suficiente para mantener los niveles por debajo de la mxima entropa.

Para resumir, este fenmeno se observ inicialmente en los sistemas termodinmicos, tales

como baos de calor. Un sistema aislado es aquel que est cerrado a los insumos de

materia y energa. Esto significa que no se puede aadir ninguna energa de calor al

sistema, este nunca puede llegar a ser ms caliente, pero slo puede seguir tenindola

misma temperatura, o disminuirla. A medida que pierde calor a travs del tiempo, aumenta

su entropa, hasta que finalmente alcanza su mximo. Tales sistemas termodinmicos, que

se encuentran en la naturaleza, son "sistemas irreversible", donde el calor no puede fluir de

fro a caliente en las paredes del sistema, sino slo de las zonas ms calientes a fras.

Aunque hoy todava tenemos que considerar que la materia domina a la radiacin, hasta

que no logremos desentraar el misterio de la energa oscura, por ello, solo podemos decir

que la historia es muy distinta si comparamos sus entropas. La entropa total de un gas en

equilibrio es proporcional al nmero total de sus partculas. Comparemos la entropa de la

materia (bsicamente el nmero total de partculas nucleares de que las galaxias se

componen) con la entropa fotonica (proporcional al nmero total de fotones). En el universo

actual la densidad numrica de las partculas nucleares (protones y neutrones) es de ms

o menos una partcula nuclear por metro cbico. (Se trata de una cifra de discusin

contingente, pero ello no afecta muy significativamente nuestra explicacin, ya que tambin

podran ser diez). El nmero de fotones que hay por metro cbico es de unos 400 millones,

cifra que viene dada por la temperatura actual del universo (3 K). As que la relacin entre

la entropa fotonica y la de la materia nuclear, independiente del volumen, lo que se

denomina la entropa especfica, es de400 millones (con incertidumbres de un factor de

aproximadamente 10). Por tanto la entropa del universo est hoy casi toda en el gas

radiante de fotones y no en la materia

El valor de la entropa especfica tiene muchsima importancia porque determina la

naturaleza del universo. Si la entropa especfica fuese cientos de veces mayor de lo que

es, podra demostrarse que el universo primitivo habra sido demasiado caliente para formar

galaxias y, por tanto, no existiran las estrellas hoy. Por otra parte, si la entropa especfica

fuese mucho menor de lo que es hoy, el hidrgeno se habra convertido casi todo en helio

en el Big Bang. Podran existir las estrellas sin duda, pero las estrellas que slo se

componen de helio son poco luminosas. De lo que se deduce que si la entropa especfica

hubiese tenido un valor muy distinto del actual, el universo sera sumamente distinto y

probablemente hostil al desarrollo dela vida. El universo es un sistema cerrado, y, en

consecuencia, su entropa, (la que vemos est sobre todo en el gas de fotones) aumenta

con el tiempo de acuerdo con la segunda ley de la termodinmica. Se forman galaxias y

arden estrellas, vertiendo as al espacio fotones que se suman al gas de fotones previo.

Esos procesos aumentan la entropa total del universo. Pero lo notable es que el aumento

de la entropa 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 slo una diez milsima de la entropa

que existe ya en los fotones de fondo, una fraccin mnima. La entropa total del universo

se halla hoy, a todos los efectos y propsitos, en el gas de fotones

(si la radiacin de la energa oscura no nos dice otra cosa) y se ha mantenido constante

desde la gran explosin. La entropa es bsicamente una cantidad conservada en nuestro

universo

APLICACIONES

En muchos textos de fsica, se hace una presentacin de la segunda ley de la

termodinmica aplicada a ciclos termodinmicos y a dispositivos cclicos. Aunque este es

un enfoque muy importante y til, existen otros casos en que se tiene inters en procesos

ms que en ciclos. Por ejemplo, se podra estar interesado en el anlisis que se puede

hacer en base a la segunda ley de la termodinmica en procesos espontneos que

acontecen diariamente, tales como el proceso de combustin en un motor de un automvil,

el tpico enfriamiento de un lquido a temperatura elevada que se encuentra en un recipiente

al aire libre, la cada de un cuerpo tal como una piedra, o una pelota que est dando botes

y termina por detenerse.

Siendo los frotamientos la principal causa de irreversibilidad de la entropa,

comprendemos por qu tratamos de minimizarlos; es el fin de la lubricacin de las piezas

en contacto y en movimiento en un conjunto mecnico. Con la misma cantidad de esencia

vamos a recuperar menos trabajo mecnico con arreglo a la velocidad del coche, cuanto

ms el coche va rpidamente y menos la distancia recorrida es grande.

La velocidad est all, un factor de irreversibilidad. Una pila elctrica abastece ms

de trabajo elctrico si su funcionamiento se acerca a la reversibilidad, es decir si tiene una

tensin dbil y una corriente dbil de funcionamiento. En cambio si se pone en cortocircuito

los electrodos, prcticamente no recuperamos slo, del calor.

Sistemas cerrados en regmenes estacionarios: la produccin de entropa por unidad

de tiempo est directamente relacionada con el flujo de entropa por transferencia de calor

en la frontera del sistema. Muchos dispositivos prcticos satisfacen este modelo simple, por

ejemplo Maquina frigorfica accionada por calor, transmisin mecnica, resistencia

elctrica.

Produccin de entropa en dispositivos cclicos 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 cclicos durante el funcionamiento real basndose en la

produccin de entropa. Ejemplo un motor trmico irreversible con trasferencia de calor

irreversible desde dos fuentes trmicas. Este ejemplo nos ilustra las perdidas relativas

debidas a las irreversibilidades en funcin exclusivamente de la entropa