Irreversibilidad de los fenómenos físicos

La irreversibilidad de los fenómenos físicos es un concepto que forma parte de las leyes de la física. Se trata, desde el punto de vista de la termodinámica, que todos los procesos físicos son irreversibles, es decir, un sistema termodinámico se traslada de un estado a otro y esa trayectoria va convirtiendo energía, aunque cierta parte de ésta se pierda en dicha trayectoria.

Proceso irreversible concepto de termodinámica

Proceso irreversible. Imagen de El traje nuevo del emperador

En otras palabras, durante el camino de un estado termodinámico a otro, no toda la energía se transforma. Se pierde cierta cantidad debido al rozamiento intermolecular y las colisiones entre las moléculas que intervienen en el proceso. Como consecuencia, esta pérdida de energía no será recuperada, incluso si el proceso llega a invertirse.

Como todos los procesos naturales son irreversibles, se puede decir que la reversibilidad de estos fenómenos es ideal y se estudia para comprender principios básicos de la termodinámica. Sin embargo, se ha observado que existen algunos procesos más irreversibles que otros, lo que lleva a los menos irreversibles a estar más cerca de la idealidad que los demás.

La ley de irreversibilidad de los fenómenos físicos o segunda ley de la termodinámica está soportada principalmente por dos enunciados fundamentales que reflejan el trabajo estadístico y de observación, que fue realizado para poder dar una explicación sobre la irreversibilidad de los fenómenos físicos y el aumento de la entropía de un sistema a lo largo del tiempo. Estos enunciados son los siguientes:

Enunciado de Clausius

Enunciado de Clausius. Imagen de Universidad de Sevilla

Este es un enunciado bastante interesante que complementa la segunda ley de la termodinámica y tiene como idea principal indicar que no existen refrigeradores ideales, es decir, para poder enfriar algo, se requiere adicionar un trabajo al sistema para lograrlo. Como podemos notar, es un enunciado negativo, ya que requiere adicionar trabajo para transferir calor de una fuente de baja (foco frío) a una fuente de alta (foco caliente). Fue una conclusión empírica basada en el estudio de observación de sistemas.

En pocas palabras, este enunciado de Clausius lo que nos indica es que para poder enfriar un sistema por debajo de la temperatura a la cual se encuentra, es necesario adicionar algún tipo de trabajo, lo que pone en evidencia el sentido de la propagación de calor, el cual, debe ir naturalmente desde una fuente caliente hacia una fría. Un sentido contrario no puede darse de manera natural.

Enunciado de Kelvin-Plank

Enunciado de Kelvin-Plank. Imagen de Universidad de Sevilla

El segundo enunciado que soporta a la segunda ley de la termodinámica, es el de Kelvin-Plank, el cual nos dice que es imposible construir una máquina que opere en un proceso cíclico y que produzca como efecto único extraer energía de un foco y a la vez generar un trabajo con dicha extracción.

Dicho de otra manera, este enunciado nos indica que ninguna máquina puede tener un rendimiento del 100%, ya que siempre habrá una pérdida de calor en un proceso cíclico. Por lo general, esta pérdida llega a ser incluso más de la mitad de la energía absorbida por el sistema.

Este enunciado se basa en procesos cíclicos, los cuales, son aquellos procesos que su estado final siempre será igual al estado inicial. Cabe destacar, que sí se puede transformar el calor en trabajo, siempre y cuando el estado final de un sistema sea diferente al inicial. En pocas palabras, para sistemas que no sean cíclicos.

Como el enunciado de Clasius, el de Kelvin-Plank es empírico, ya que su deducción se basó en observaciones y experimentación y no en una ley previa.