Enunciados de la segunda ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica nos dice únicamente que la energía se conserva, por lo cual, no se crea ni se destruye. Con ella sólo podemos saber que no se ha perdido, sino que, aunque no nos da pista sobre dónde podría estar una vez se utilizó y transformó en otro tipo de energía, está presente en algún lugar del universo.

Tampoco establece la dirección en que fluye el calor, dando lugar a una serie de interrogantes cuyas respuestas están contenidas en la segunda ley de la termodinámica, definición que encuentra su descripción completa en los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius. Tales enunciados resultan tan específicos que de ellos se deduce la ley cero, por cuanto los cuerpos alcanzan el equilibrio térmico atendiendo a la dirección en que fluye el calor de un cuerpo de mayor temperatura a otro con una temperatura menor y nunca al revés.

El concepto de entropía está asociado a las irreversibilidades en los procesos y el incremento del desorden con el tiempo, así como la tercera ley; que establece la imposibilidad de alcanzar el cero absoluto de la temperatura debido a las pérdidas de energía ocasionadas durante el proceso de transformación de la misma y las formas en que se transfiere el calor, sea conducción, convección y radiación. Todas ellas, igualmente, son consecuencia de la segunda ley. Profundicemos en los enunciados mencionados para comprender mejor esta ley.

Ver también: Ley cero de la termodinámica

Enunciado de Kelvin-Planck: Máquina térmica

No es posible construir una máquina que opere en un ciclo y cuya función sea únicamente la de recibir calor de un depósito de alta temperatura, así como transformarlo todo en trabajo tal como lo expresa la primera ley de la termodinámica.

Al no tener un depósito de baja temperatura, no habría perdidas de energía y todo el calor cedido a la maquina seria transformado en trabajo, este levantaría un peso y sería utilizado nuevamente como energía calorífica para realizar la misma cantidad de trabajo de manera indefinida. Semejante dispositivo tendría una eficiencia del 100%. Lo que no se ha observado hasta ahora.

La solución encontrada en el enunciado de Kelvin-Planck menciona que cierta cantidad de calor de algún modo debe escapar hacia algún lugar, por lo cual debe haber otro depósito de temperatura.

Ver también: Primera ley de la termodinámica

Habiendo dos depósitos; uno de alta y otro de baja temperatura, la máquina recibirá calor del de alta temperatura, mediante una sustancia de trabajo tal como agua, que transporta el calor como vapor saturado o sobrecalentado para cederlo a determinados consumidores, realizando una cantidad de trabajo y levantando un peso. De esta manera, un porcentaje de calor sería cedido hacia el depósito de baja temperatura.

La suma del trabajo realizado y el calor cedido por la máquina térmica al depósito de baja temperatura, será siempre igual al calor recibido por la máquina térmica desde el depósito de alta temperatura. Así, la energía total se conserva y la primera ley nunca es violada.

Esto explica el recalentamiento de la máquina por conducción en su interior y la radiación de la máquina hacia el medio ambiente (atmósfera), el depósito de baja temperatura, por convección. Así la máquina tendría una eficiencia menor al 100%, como siempre se ha observado.

Ver más: Segunda ley de la termodinámica

Enunciado de Clausius: El refrigerador

No es posible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y que pueda suministrar calor de un depósito de baja temperatura a otro de alta temperatura de forma natural, esto no contradice la primera ley, solo que nunca sea observado.

Tal situación permitiría calentar una taza de café en el interior de un congelador o ver como el agua en un recipiente se congela en un día cálido. Por esta razón, es necesario que participe cierta cantidad de trabajo.

La maquina (refrigerador) recibirá cierta cantidad de trabajo realizado por un compresor, para extraer calor del depósito de baja temperatura hacia el de alta temperatura mediante una sustancia refrigerante que transporte el calor.

Ver también: Tercera ley de la termodinámica

Tanto el enunciado de Kelvin-Planck como el de Clausius descansan en la evidencia experimental y observacional, y no ha habido un solo principio que lo contradiga. La segunda ley no viola la primera, más bien es una extensión de la misma.