17.4 Ilustración: Entropía y calor

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La Animación 1 muestra dos objetos del mismo tamaño, misma masa y mismo calor específico (mc = 2 para ambos, en las unidades apropiadas), inicialmente a diferentes temperaturas pero puestos en contacto térmico los dos cuerpos (temperatura en grados kelvin y cambios de energía en julios). Las barras en color indican el calor intercambiado entre los objetos rojo y azul.  Reinicio.

Como ya hemos dicho (Principio Cero de la Termodinámica) cuando dos cuerpos están en contacto térmico, terminan por igualar sus temperaturas si se deja transcurrir tiempo suficiente (equilibrio térmico). Pero no hay nada en la Primera Ley de la Termodinámica (que establece la conservación de la energía en términos de calor, trabajo y cambios de energía interna) que requiera que esto sea así. En caso de que, como en el ejemplo propuesto, no haya involucrado trabajo, lo único que establece el Primer Principio es que haya una transferencia de calor entre los cuerpos, acompañada de un cambio apropiado en sus energías internas (muy pequeño en el caso propuesto), de forma que el balance de energía esté de acuerdo con el principio de conservación. Es decir, el calor que cede un cuerpo lo debe ganar el otro.

Pasemos ahora a la Animación 2. ¿Se conserva aquí la energía? ¿Hay algo diferente, en el intercambio de calor, respecto a la Animación 1 ? Lo que usted observa en la Animación 2 por supuesto que no ocurre (o es de probabilidad prácticamente nula) en la realidad, aunque ahora también la energía se conserva (cumpliéndose el Primer Principio). Lo que trata sobre la direccionalidad de los procesos es el Segundo Principio que establece que (para un sistema aislado, en un proceso espontáneo) la entropía debe subir o, como límite, debe mantenerse constante. El cambio en entropía, dS, está dado por dS = dQ/T (para un proceso reversible, con intercambio elemental de calor dQ, que ocurra a la temperatura T). Como dQ= mc  dT, un poco de cálculo nos lleva fácilmente a que:

ΔS = mc ln (T_f / T_i),

que expresa el cambio neto de entropía ΔS en función de la masa del cuerpo, de su calor específico y de las temperaturas final e inicial. 

Calcule ahora los cambios de entropía para cada objeto, así como para el sistema aislado formado por los dos objetos, y para cada animación. Observe, entonces, que el cambio neto de entropía es positivo para el proceso descrito en la Animación 1 y negativo para el descrito en la Animación 2. De acuerdo con el Segundo Principio lo que se ve en la Animación 2 no se observará nunca en la realidad. 

Ilustración creada por  Anne J. Cox.
© 2004 Pearson Educación S. A.