Entropía: Segundo principio de la termodinámica

La termodinámica se ocupa de sistemas macroscópicos, caracterizados por lo que hemos llamado variables termodinámicas. Existe una relación entre las variables termodinámicas de un sistema en equilibrio y los posibles estados microscópicos del sistema. Hemos visto que las variables termodinámicas están relacionadas con los valores promedio de las magnitudes microscópicas, siempre que el sistema se encuentre en equilibrio. Cuando un sistema está en equilibrio, su estado termodinámico no cambia, y por tanto las variables termodinámicas permanecen constantes. Sin embargo, desde el punto de vista microscópico, su estado varía constantemente. El sistema pasará por todos los estados microscópicos compatibles con el estado termodinámico. Hay muchos estados microscópicos que corresponden al mismo estado termodinámico. Resulta útil definir una nueva función de estado relacionada muy directamente con el peso estadístico, la entropía del sistema termodinámico. Se define de la siguiente forma: S = k_bln(ω), donde k_b es la constante de Boltzmann. Cuando el equilibrio es perturbado de alguna forma, el estado del sistema cambia, hasta alcanzar otro estado de equilibrio. El peso estadístico y la entropía, que son funciones de estado, cambiarán. Se observa que en la evolución de un sistema aislado, el peso estadístico, y por tanto la entropía, siempre aumentan. En la expansión libre, N moléculas de un gas que inicialmente ocupa un volumen V en equilibrio se dejan evolucionar libremente hasta ocupar un volumen mayor V. En el estado inicial, cuando el gas ocupa el volumen V, todas las moléculas tienen que estar concentradas en ese volumen. Vemos por tanto que en la expansión libre de un gas ideal el peso estadístico aumenta. Podemos enunciar el segundo principio de la termodinámica de la siguiente forma: En todos los procesos físicos posibles, la entropía de un sistema físico aislado siempre aumenta. El segundo principio de la termodinámica hace referencia a un sistema físico aislado. Cuando un sistema físico no está aislado, su entropía sí puede disminuir, y muchas veces lo hace, pero siempre a costa de un aumento mayor de la entropía del ambiente.