PROCESOS ISENTRÓPICOS Antes se mencionó que la entropía de una masa fja puede camiar por! "#$ %a trans&erencia de calor '#$ las irre(ersiilidades) entonces* la entropía de una masa fja no camia durante un proceso que es internamente re(ersile + adia,tico -f./# un proceso en el que la entropía se mantiene constante es un proceso isentrópico* el cual se caracteri0a por 1S 2 3
o
s' 2 s"
-4j54.#R/
Es decir* una sustancia tendr, el mismo (alor de entropía tanto al fnal del proceso como al inicio si el proceso se lle(a a cao de una manera isentrópica# 6uc7os sistemas o dispositi(os de in.eniería como omas* turinas* toeras + di&usores son esencialmente adia,ticos en su &uncionamiento* + tienen mejor desempe8o cuando se minimi0an las irre(essiilidades* como la &ricción asociada al proceso# 9n modelo isentrópico puede ser(ir como un modelo apropiado para los procesos reales* ademas de permitirnos defnir las efciencias para procesos al comparar el desempe8o real de estos dispositi(os con el desempe8o ajo condiciones ideali0adas# Es importante reconocer que un proceso adia,tico re(ersile necesariamente es isentrópico -s' 2 s"/* pero uno isentrópico no es necesariamente un proceso adia,tico re(ersile -por ejemplo* el incremento de entropía de una sustancia durante un proceso* como resultado de las irre(ersiilidades* puede compensarse con una disminución en la entropía como resultado de las l as p:rdidas de calor/# Sin emar.o* el t:rmino proceso isentrópico se usa 7aitualmente en termodin,mica para re&erirnos a un proceso adia,tico internamente re(ersile# Ejemplo! E;pansión isentrópica de (apor de a.ua en una turina En una turina adia,tica entra (apor de a.ua a < 6pa + =<3>C + sale a una presión de "#= 6pa# ?etermine el traajo de salida de la turina por unidad de masa de (apor si el proceso es re(ersile#
Suposiciones! "/ :ste es un proceso de @ujo estacionario porque no 7a+ camio con respecto al tiempo en cualquier punto* por lo tanto 1m c(23* 1Ec(23* 1Sc(23 '/ el proceso es re(ersile / %a ener.ía cin:tica + potencial son insi.nifcates =/ la turina es adia,tica* por lo tanto no 7a+ tras&erencia de calor
%a potencia de salida de la turina se determina mediante un alance de ener.ía entrada D salida 2 dEsistema5dt 2 3 entrada 2 salida B7" 2 salida F B7' salida 2B7" $ B7' salida 2B -7" $ 7'/ Estado "# P"2< 6pa T"2=<3>C ?e las talas S"2 H#'"3 4j54.#R 7"2 "J#' 4j54. Estado ' P'2"#=3 6pa s' 2 s" 2
H#'"3 4j54.#R
7'2 'KHJ#= 4j54.
-desde G23*Ec23*Ep23/
Entonces el traajo de salida de la turina por unidad de masa es! salida 2-7" $ 7'/ 2 -"J#' $ 'KHJ#=/ 4j54. 2 =K#3 4j54. G9E ES %A ENTROPLA ?e la e;posición anterior queda claro que la entropía es una propidad Mtil + una (aliosa 7erramienta en el analisis de la se.unda le+ en los dispositi(os de in.eniería* pero esto no si.nifca que saemos + entendemos ien la entropía# ?e 7ec7o no podemos dar una rspuesta adecuada a la pre.unta Gu: es la entropía Sin emar.o* la imposiilidad de descriir la entropía en su totalidad no tiene nada que (er con su utilidad# No es posile defnir ener.ía* pero esto no interfere con nuestra comprensión de las trans&ormaciones de ener.ía + su principio de conser(ación# Se admite que la entropía no es una palara comMn como lo es la ener.ía* pero con el uso continuo se alcan0a una comprensión m,s pro&unda + una ma+or apreciación# El estudio que si.ue dee (erter al.una lu0 en el si.nifcado &ísico de la entropía* considerando la naturale0a microscópica de la materia# %a entropía puede (erse como una medida de desorden molecular* o aleatoriedad molecular# Cuando un sistema se (uel(e m,s desordenado* las posiciones de las mol:culas son menos predeciles + la entropía aumenta* de a7í que no sorprenda que la entropía de una sustancia sea m,s aja en la &ase sólida + m,s alta en la .aseosa# En la sólida las mol:culas de una sustancia oscilan continuamente en sus posiciones de equilirio* pero les es imposile mo(erse unas respecto de las otras* por lo que su posición puede predecirse en cualquier momento con certe0a# Sin emar.o* en la .aseosa* las mol:culas se mue(en al a0ar* c7ocan entre sí + camian de dirección* lo cual 7ace sumamente di&ícil predecir con presición el estado microscópico de un sistema en cualquier instante# Asociado a este caos molecular se encuentra un (alor alto de entropía# ?esde un punto de (ista microscópico -a partir de la perspecti(a de la termodin,mica estadistica/* un sistema aislado que parece estar en equilirio puede e;ciir un alto ni(el de acti(idad deido al mo(imiento incesante de las mol:culas# A cada estado de equilirio macroscópico corresponde un .ran nMmero de posiilidades de estados microscópicos o conf.uraciones moleculares) entonces la entropía de un sistema se relaciona con el nMmero total de esos estados posiles de ese sistema + es llamada proailidad termodin,mica p* que se e;presa por la relación de olt0mann como S 2 Q lnp
-"'/
?onde Q2 "#3H;"3$' 54 es la constante de olt0mann# Por consi.uiente* desde un punto de (ista microscópico* la entropía de un sistema aumenta siempre que la aleatoriedad o incertidumre molecular -es decir* la proailidad molecular/ de un sistema aumenta# Así* la entropía es una medida del desorden molecular* + el desorden molecular de un sistema aislado aumenta siempre que e;perimente un proceso# Como se mencionó las mol:culas de una sustancia en la &ase sólida oscilan continuamente* creando una incertidure sore su posición# Sin emar.o
estas oscilaciones se des(anecen cuando la temperatura disminu+e + las moleculas supuestamente se inmo(ili0an al cero asoluto* lo que representa un estado de orden molecular Mltimo -+ ener.ía mínima/# Por lo tanto* la entropía de una sustancia pura cristalina a una temperatura asoluta de cero es cero a partir de que no 7a+ incertidumre sore el estado de las mol:culas con respecto a ese momento# Esta declaración es conocida como la tercera le+ de la termodin,mica* la cual proporciona un punto de re&erencia asoluto para la determinación de entropía# %a entropía determinada como relati(a con respecto a este punto se llama entropía absoluta + es sumamente Mtil en el an,lisis termodin,mico de las reacciones químicas# %a entropía de una sustancia que no es pura cristalina -como una solución sólida/ no es cero a temperatura asoluta cero# Esto se dee a que para tales sustancias 7a+ m,s de una conf.uración molecular* las cuales introducen un poco de incertidure sore el estado microscópico de la sustancia# En la &ase .aseosa las mol:culas poseen una cantidad considerale de ener.ía cin:tica* pero se sae* que por m,s .rande que :sta sea* las mol:culas de .as no 7acen .irar una 7:lice insertada en un contenedor para que así este dispositi(o produ0ca traajo# Esto se dee a que tanto las mol:culas de .as como su ener.ía est,n desor.ani0adas# Proalemente el nMmero de moleculas que en cualquier instante intentan .irar la 7:lice en una dirección es i.ual a las que est,n intent,ndolo en la dirección opuesta* causando que la 7:lice permanesca en inmó(il# Por consi.uiente no podemos e;traer traajo Mtil directamente de la ener.ía desor.ani0ada# A7ora consideremos un eje rotatorio en el que en este momento la ener.ía de las mol:culas est,n completamente or.ani0adas porque las mol:culas del eje .iran juntas en la misma dirección# Esta ener.ía or.ani0ada puede utili0arse para reali0ar tareas Mtiles como le(antar un peso o .enerar electricidad# Adem,s* como es una &orma or.ani0ada de ener.ía el traajo est, lire de desorden o aleatoriedad + por la tanto lire de entropía# No hay transferencia de entropía asociada con la transferencia de energía como trabajo # Por consi.uiente* en ausencia de cualqueir tipo de
&ricción* el proceso de le(antar un peso mediante un eje rotatorio -o un (olante/ no produce entropía# Cualquier proceso que no produsca una entropía neta es re(ersile + por lo tanto* en el caso del proceso descrito antes* puede in(ertirse ajando el peso# Por consi.uiente* la ener.ía no se de.rada durante este proceso + nin.Mn potencial de reali0ar traajo est, perdido# En esencia* el calor es una &orma de ener.ía desor.ani0ada* + al.o de esta desor.ani0ación -entropía/ @uir, con calor# Como resultado* la entropía + el ni(el de desorden molecular o aleatoriedad del cuerpo caliente disminu+e con la entropía mientras que el ni(el de desorden molecular del cuerpo &río aumenta# %a se.unda le+ requiere que el incremento en la entropía del cuerpo &río sea ma+or que la disminución de la entropía del cuerpo caliente* por lo tanto la entropía neta del sistema cominado -cuerpo &río + caliente/ aumenta# Es decir* el sistema cominado se 7alla en un estado de ma+or desorden en el estado fnal# Se puede concluir entonces que el proceso solo puede ocurrir en la dirección del aumento de entropía .loal o desorden
molecular# Es decir* el uni(erso entero est, (ol(iendose m,s caótico todos los dias# %A ENTROPLA %A ENERACIÓN ?E ENTROPLA EN %A UI?A ?IARIA El concepto de entropía tami:n puede aplicarse en otras ,reas* + puede (erse como una medida de desorden o desor.ani0ación de un sistema# I.ualmente la .eneración de entropía puede considerarse como una medida de desorden o desor.ani0ación .enerada durante el proceso# En la (ida diaria* el concepto de entropía no tiene el uso tan e;tendido que tiene el de la ener.ía* aunque la entropía es aplicale a (arios conceptos cotidianos# %a e;tensión de este concepto 7acia campos no t:cnicos no es al.o nue(o* 7a sido tema de (arios artículos e incluso liros# A continuación se presentan (arios e(entos del ,mito de lo ordinario + se muestra su rele(ancia respecto a los conceptos de entropía + .eneración de entropía %as personas efcientes lle(an (idas de aja entropía -es decir mu+ or.ani0adas/* tienen un lu.ar para todo -incertidure mínima/ + emplean la menor ener.ía para locali0ar al.o# Por otro lado* las personas inefcientes lle(an (idas de alta entropía! les toma (arios minutos -si no es 7oras/ encontrar al.o que necesitan + es proale que creen un desorden m,s .rande mientras uscan* puesto que proalemente diri.iran su usqueda de una manera desor.ani0ada# %as personas que lle(an estilos de (ida de alta entropía siempre est,n apuradas + nunca parecen ponerse al día# Gui0,s 7a notado -con &rustración/ que al.unas personas parecen aprender r,pidamente + recordar ien lo aprendido) a este tipo de aprendi0aje lo podemos llamar or.ani0ado o aprendi0aje a aja entropía# Estas personas 7acen un es&uer0o consiente para almacenar adecuadamente la nue(a in&ormación relacionandola con sus conocimientos pre(ios + creando una red de in&ormación sólida dentro de sus mentes# Por otro lado* las personas que arrojan la in&ormación en sus mentes cuando estudian* sin 7acer es&uer0os por afan0arla* qui0,s piensan que est,n aprendiendo* pero se (er,n oli.adas a descurir que no pueden encontrar la in&ormación cuando la necesitan* por ejemplo durante un e;amen# No es &acíl recuperar la in&ormación de una ase de datos que est,* en cierto sentido# %os estudiantes que tienen la.unas durante las prueas deen de ree;aminar sus 7,itos de estudios#
