La entropía

La entropía es un concepto fascinante, cuyas implicaciones y aplicaciones no se limitan al ámbito técnico y científico.

Así que no es muy dificil adivinar sobre que tratará la siguiente entrada, claro, es la entropia.

Empezaremos hablando un poco sobre ella y de su concepto.

  La palabra entropía se deriva del vocablo griego trope, que quiere decir transformación. La entropía es una función termodinámica que se designa por la letra S. El físico alemán Rudolph Clausius descubrió la función S en 1854 y la denominó contenido de la
transformación (Verwandlinginhalt)1. Posteriormente, en 18652, el mismo Clausius la renombró como entropía. Las conclusiones de Clausius se basaron en el estudio que hizo sobre el trabajo del ingeniero francés Sadi Carnot, quien en 1824 publicó : "La potencia
motriz del fuego", una investigación sobre los principios que regían la transformación de la energía térmica (calor) en energía mecánica (trabajo). De aquí el nombre que Clausius le dio a la función S.
La entropía es un concepto complejo, "sin ningún análogo físico sencillo". Al que sugieren que el concepto físico de la entropía puede formularse como:
          "La entropía es una propiedad intrínseca de la materia caracterizada
          porque su valor se incrementa al crecer la ineficacia de la energía total
          del sistema".
Afirmar que se trata de una propiedad intrínseca de la materia implica que su valor, depende únicamente de la naturaleza de la materia considerada, sin importar su posición externa o su movimiento con respecto a otros cuerpos.

Ahora la relacionaremos con la segunda ley de la termodinamica:

A semejanza de la temperatura que se introduce a partir de la Ley Cero de la
Termodinámica y la energía cuya definición se establece a partir de la Primera Ley, la definición de entropía se obtiene partiendo de la Segunda Ley.
La primera ley emplea la energía para identificar los cambios que pueden efectuarse (aquellos en los que la energía total del sistema más sus alrededores permanece constante).
La segunda ley se vale de la entropía para establecer cuales de estos cambios son naturales y espontáneos.

Se entiende por espontáneos aquellos procesos que están impulsados por una fuerza
directora, que es la que tiende a que el proceso tenga lugar. Así por ejemplo, un cuerpo caliente se enfría hasta alcanzar la temperatura de sus alrededores como consecuencia del diferencial finito de temperatura existente, pero no se calienta espontáneamente a expensas
de los alrededores; un gas se expande y llena el volumen disponible, producto de la diferencia de concentración del gas en el espacio, pero no se contrae espontáneamente.
Dichos procesos espontáneos no están equilibrados y son irreversibles (los procesos irreversibles son aquellos que una vez que han ocurrido, no pueden invertirse por si solos de modo espontáneo y regresar al sistema a su estado inicial).

La entropía, una propiedad termodinamica:

Para entender la entropía es necesario referirse a sus características como una magnitud termodinámica. La entropía es una propiedad extensiva, es decir, depende del tamaño o extensión del sistema. En el sistema internacional (SI) sus unidades son el kJ/K (a veces denominado UE); las unidades respectivas en el sistema inglés son el Btu/R. Otras
unidades empleadas son las cal/K, que algunos autores y  denominan unidad entrópica (ue) o gibbs.

Además,la entropía también es una función de estado, y como tal no se ve afectada por el tipo de proceso a través del cual se va de un estado 1 a un estado 2; se concluye entonces que su valor es independiente de la historia del sistema. Sin embargo, la integral de δQrev/T da el cambio de entropía solamente para procesos reversibles.
En el caso de procesos irreversibles, para el cálculo de ΔS se debe definir un camino reversible adecuado que tenga el mismo estado final que el proceso real.

Cuando ocurre un proceso espontáneo en un sistema aislado, la entropía alcanza un valor máximo en el equilibrio. En otras palabras, los procesos dejan de llevarse a cabo cuando el valor de la entropía es máximo. Por ejemplo, si dos partes de un sistema aislado están a diferentes temperaturas, el calor fluirá desde la parte caliente a la fría hasta que ambas temperaturas se igualen y la entropía del sistema alcance su valor máximo.

En el sentido termodinámico el universo es un sistema aislado, por tanto, la entropía del universo está creciendo continuamente, como ya se menciono anteriormente. De esto se sigue que, a diferencia de la energía, la entropía no es una propiedad conservativa. Por tanto, puede hablarse de entropía generada o creada durante un proceso. Dicha generación de entropía se debe por completo a la presencia de irreversibilidades en el proceso.

Sin embargo, cuando se calcula el cambio de entropía de un sistema el valor que se obtiene puede ser negativo, es decir, una disminución en la entropía del sistema.

Iniciación a la termoquímica

Comenzamos este blog publicando una introduccion a la termoquímica, para ello desarrollaremos cuestiones como: 

- ¿ Qué es la termoquímica?

-¿ Qué cientificos importantes destacaron?

-¿ Qué usos tiene esta ciencia?

Y muchas más cuestiones que se nos iran desarrollando a lo largo de este blog.

Empecemos con su definición:

La termoquímica estudia los cambios de energía asociados a las transformaciones químicas.
Cuando en una reacción química los reactivos (R) y los productos (P) se encuentran a la
misma presión, el calor puesto en juego durante el, se denomina variación de entalpía (∆H = Qp). En los procesos químicos exotérmicos  se desprende calor ∆H < 0, mientras que en los endotérmicos,  se absorbe calor, ∆H > 0.
La variación de entalpía de algunas transformaciones químicas puede determinarse
experimentalmente por medida del calor involucrado en las mismas, con un equipamiento
relativamente sencillo.
A fin de poder obtener datos experimentales precisos debe procurarse un aislamiento térmico
efectivo de los sistemas objeto de estudio. Un dispositivo experimental que conjuga sencillez
y eficacia es un calorímetro, como el representado esquemáticamente en la figura adjunta.

hacia fines del siglo xvii se propuso  el concepto del flogisto; éste era un fluido que los cuerpos ganaban o perdían durante la combustión y otras reacciones químicas. Se creía que el calor era un fluido imponderable. Sin embargo, hacia fines del siglo XVIII, científicos como Antoine Lavoisier (1743-1794), Joseph Black (1728-1799) y otros desecharon esta idea con base en los resultados que habían obtenido en sus experimentos. El mismo Lavoisier propuso una alternativa con la teoría del calórico. Supuso que el calórico era una sustancia que no se podía ni crear ni destruir y que era un fluido elástico. Este modelo pudo explicar adecuadamente un buen número de fenómenos familiares.

Para ese entonces Benjamín Thompson, conde de Rumford (1753-1814) se había interesado en los fenómenos térmicos. Trabajó durante muchos años construyendo e inventando aparatos como hornos, chimeneas, etcétera. Se dio cuenta de que no era posible considerar al calor como una sustancia. En un célebre trabajo hizo ver que se podía producir calor por medio de fricción. Como ejemplo mencionó su experiencia en la perforación de cañones. Se había dado cuenta que podía generar tanto calor como quisiera simplemente produciendo tanta fricción como fuera necesaria. Esta experiencia la tenemos cotidianamente. Se puede calentar tanto como queramos algún objeto simplemente haciendo que otro resbale sobre él; aquí interviene el fenómeno de la fricción.

Sin embargo, Rumford no pudo aclarar el origen de este movimiento. Fue hasta la década de 1830 a 1840 que el gran físico inglés James Prescott Joule (1818-1889) realizó una brillante serie de experimentos y pudo demostrar que el calor era una forma de energía. Asimismo, presentó uno de los primeros enunciados de la conservación de la energía. Casi simultáneamente  pero de manera completamente independiente, el médico alemán Joule Robert Mayer (1814-1878) publicó un trabajo en el que también enunció un principio de conservación de la energía. Sin embargo, se debe mencionar que los argumentos utilizados por Mayer para llegar a dicho enunciado contenían muchas generalizaciones sin base firme. Finalmente, el físico alemán Hermann von Helmholtz (1821-1894) publicó un tratamiento cuantitativo de la conservación de la energía en el que incluía también las energiás eléctrica, magnética y química.

Como resultado de estos trabajos se pudo formular entonces el siguiente principio: cuando el calor se transforma en cualquier otra forma de energía, o viceversa, la cantidad total de energía permanece constante; es decir, la cantidad de calor que desaparece es equivalente a la cantidad del otro tipo de energía en que se transforma y viceversa. Este principio se conoce como la primera ley de la termodinámica

Los usos que tiene esta ciencia son los  de absorber y desprender calor, se usa en varias aplicaciones prácticas de bastante utilidad y que en algunos casos pueden resultar imprescindibles en la mantención de la vida de las personas.