La segona llei de la termodinàmica és un dels principis fonamentals de la física, amb implicacions profundes tant en sistemes naturals com en aplicacions tecnològiques.
"La quantitat d'entropia de l'univers tendeix a incrementar-se amb el temps."
En termes senzills, això significa que els processos naturals tendeixen cap al desordre, i que l'energia útil disponible per fer treball disminueix amb el temps.
Energia, calor i treball: el que sí i el que no
Un dels aspectes essencials que es deriven d'aquesta llei és que, tot i que tot el treball mecànic es pot convertir completament en calor, no passa el mateix al revés: no tota la calor es pot transformar en treball. Aquesta limitació defineix una eficiència màxima teòrica, coneguda com a eficiència de Carnot, que depèn únicament de les temperatures del focus calent i del focus fred.
Comparació amb la primera llei de la termodinàmica
Segons la primera llei de la termodinàmica, o la llei de conservació de l'energia, l'energia no es crea ni es destrueix, només es transforma. Aquesta idea es resumeix a l'equació:
\[ \Delta U = Q - W \]
On:
-
\( \Delta U \) és el canvi a l'energia interna del sistema.
-
\( Q \) és la calor absorbida.
-
\( W \) és el treball realitzat pel sistema.
Aquesta llei, però, no indica en quina direcció passen els processos, és a dir, no distingeix entre allò que és possible o natural i allò que no ho és. Per això necessitem el segon principi.
L'entropia i el segon principi
El concepte clau a la segona llei és l'entropia, una mesura del desordre o aleatorietat d'un sistema. Com més gran és l'entropia, més desorganitzat o dispers hi ha el sistema. La segona llei estableix que:
En un sistema tancat o aïllat, l‟entropia total no pot disminuir; només es pot mantenir constant (en processos reversibles) o augmentar (en processos reals i irreversibles).
Per tant, perquè la calor flueixi d'un cos fred a un de calent (és a dir, en contra del gradient tèrmic), cal fer treball extern. Això explica, per exemple, el funcionament de refrigeradors o aires condicionats, que necessiten energia per forçar la calor a moure's "en contra" de la direcció natural.
En els processos espontanis -com la barreja de gasos, el refredament d'un objecte calent o la dissolució d'una substància- augmenta l'entropia del sistema i el seu entorn. En canvi, si es vol disminuir l'entropia d'una part del sistema, cal augmentar-la en una altra banda encara més, per això l'entropia total continua creixent.
Sistemes en equilibri
La segona llei s'aplica principalment a sistemes que són a prop o en estat d'equilibri termodinàmic. En aquests casos, es pot predir l‟evolució del sistema basant-se en els canvis d‟entropia. Si un procés causa un augment d'entropia global, aleshores és termodinàmicament permès. Si no, el procés és impossible.
A més, una menor producció d'entropia en un procés se sol associar amb més eficiència energètica. Això és especialment important a l'enginyeria química, la indústria energètica i altres camps tecnològics.
Exemples de la segona llei de la termodinàmica
La segona llei es manifesta en molts fenòmens quotidians i naturals. Alguns exemples de la segona llei clars inclouen:
1. Un gas comprimit que s'expandeix
Si s'obre una vàlvula que connecta un recipient amb gas comprimit a una zona de menor pressió, el gas s'expandeix de forma espontània, augmentant-ne l'entropia. El procés invers (que el gas es torni a comprimir espontàniament) no passa sense treball extern.
2. La calor sempre flueix del calent al fred
Quan es col·loca un objecte calent en contacte amb un altre de més fred, la calor flueix del més calent al més fred fins a assolir l'equilibri tèrmic. No s'ha observat mai que passi al revés sense aportació energètica.
3. Una tassa de cafè que es refreda
En deixar una tassa de cafè calent sobre una taula, la calor es transfereix a l'aire circumdant. La tassa es refreda, i aquesta calor es dispersa a l'ambient. El procés contrari —que el cafè s'escalfi tot sol— és impossible sense intervenció.
4. El funcionament d'un refrigerador
La nevera extreu calor del seu interior (més fred) i l'expulsa cap a l'exterior (més calenta). Per aconseguir aquest “flux invertit”, necessita energia elèctrica que alimenta el compressor. Així es compleix la segona llei: l'ordre s'imposa a costa d'augmentar el desordre a l'entorn.
5. La barreja de líquids o gasos
Quan es barregen dos líquids o gasos inicialment separats, ho fan espontàniament fins a assolir una distribució uniforme. L´entropia augmenta, ja que l´estat final és més desordenat que l´inicial. No se separaran sols.
6. La combustió d'un combustible
Quan cremem benzina, s'allibera energia en forma de calor i gasos que es dispersen. Tot i que part d'aquesta energia es pot transformar en treball (per exemple, moure un cotxe), sempre hi haurà pèrdues tèrmiques. L'eficiència és limitada per la segona llei.