Mayo-2023

J. Salas

teoria@pantermodinamica.com  

 

TEORÍA DE LA PANTERMODINÁMICA

 

OTRA EXPLICACIÓN DE LAS TEMPERATURAS NEGATIVAS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   La TERMODINÁMICA se rige, entre otras,  por su segunda ley. Una de las afirmaciones fundamentales de dicha ley es la siguiente:

 

En los procesos termodinámicos  la entropía siempre aumenta o permanece constante, pero nunca disminuye.

 

  No obstante, la realidad confirma que existen determinados subsistemas potenciales en los que, a un incremento de su energía potencial su entropía disminuye. Si a estos subsistemas se le pudiera aplicar  la definición utilizada en termodinámica estadística para la temperatura, llegaríamos a la conclusión  de que están a  temperatura negativa.

 

 

 Pero en estos  procesos  el volumen ocupado por las partículas  al evolucionar desde un nivel inferior, hasta  otro nivel superior más poblado no es constante, hay más partículas por unidad de volumen en el nivel superior. En este caso la ecuación anterior no sería aplicable y el concepto de temperatura negativa no tendría fundamento.

 

 Un  subsistema potencial puede  ceder energía, entre otras formas, como calor, al evolucionar desde un nivel superior, hasta otro nivel inferior, sin importar el valor que tenga la temperatura  del subsistema. Si en este caso se pudiera aplicar el criterio de que el calor siempre fluye desde una temperatura más alta, hasta otra más baja, llegaríamos a la paradójica conclusión de que los subsistemas potenciales, temperaturas negativas, están más calientes que cualquier temperatura, incluso el infinito.

 

 Para que las partículas puedan evolucionar en un subsistema potencial, desde un nivel inferior, hasta otro nivel superior más poblado, que hay más partículas por unidad de volumen, n1 > n2, es necesario un determinado trabajo, el cual se transforma en la energía potencial, ∆Ep, y no en el calor, Q. Por consiguiente, en este proceso, no se crea entropía positiva, Q/T, sino ∆Ep/T.

 Q/T, representa a la entropía, el calor  degradado  a la temperatura T que no se puede trasformar en trabajo,  sin embargo, ∆Ep/T es el incremento de la energía potencial del subsistema a la temperatura T, la cual sí se puede trasformar directamente en trabajo, por lo tanto,  ∆Ep/T, no es equivalente a un incremento de entropía, ∆Ep/T ≠ ∆S.

 

  La ecuación que expresa el incremento de entropía  que sufre una partícula, en este caso una molécula, al evolucionar a temperatura constante, desde  el volumen medio inicial n1, hasta el volumen medio final n2, es la siguiente:

 

 

 

   Si la anterior ecuación la aplicamos a las partículas que evolucionan en un subsistema potencial, desde un nivel inferior, hasta otro nivel superior  más poblado, n1 > n2, tenemos que el incremento de la entropía de la partícula es negativo:

 

 

-∆S = k· ln (n2/n1) +∆Ep /T,    n1 > n2,   ∆Ep /T ≠ ∆S

 

 

   La TERMODINÁMICA solo permite  procesos termodinámicos en los que la entropía disminuye, se crea entropía negativa, si  cumplen la siguiente condición:

 

El trabajo empleado en disminuir la entropía,  crear entropía negativa, se debe de transforma íntegramente en calor.

 

 Lo que implica la creación de su equivalente de entropía positiva, Q/T, por consiguiente,  en estos procesos, como máximo, la entropía negativa creada es igual a la entropía positiva creada, siendo el balance neto de la entropía  nulo. La entropía permanece constante y estos procesos  son reversibles.

 

  La  PANTERMODINÁMICA, básicamente, lo que  expone es lo siguiente:

 

 El concepto de temperatura negativa encubre la realidad de que, en determinados subsistemas potenciales, la entropía disminuye netamente, se crea entropía negativa, al transformar el trabajo empleado en obtenerla en energía potencial, ∆Ep, y no en calor.  ∆Ep /T ≠ ∆S.

 

Ninguna ley física puede ir en contra de un solo hecho real, por lo tanto, la realidad demuestra  que la  segunda ley de la termodinámica no se cumple en todos los casos.

 

 

 

¿QUÉ ES LA ENTROPÍA?

 

  La entropía  S es una magnitud que  la termodinámica la define, entre otras formas, como el cociente entre  dos energías,  el calor  Q transferido en un foco y la temperatura  T a la que está dicho foco,  por lo tanto, es una magnitud adimensional.

 

 

 

  En un proceso  isotérmico reversible el calor ±Q, absorbido  o cedido, por la masa de un mol al evolucionar  en un foco a la temperatura T, desde un volumen inicial V1, hasta otro volumen final V2, queda determinado por las siguientes ecuaciones:

 

 

 

  Como en un proceso isotérmico la relación de los volúmenes  es igual a la inversa de la relación de las presiones, se cumple que:

 

 

 

                                                                                       

  Si en la anterior ecuación, en el proceso de expansión del gas, V2 > V1, P1> P2, el valor del calor absorbido -Q  vale -0, -Q/T = -0, significa que no se ha transformado ningún calor en trabajo en esta evolución. Ha desaparecido irreversiblemente el desequilibrio relativo, P1 > P2, que tenía el subsistema termodinámico, el cual le dotaba de la capacidad de poder transformar el calor Q, en el trabajo W, al  evolucionar reversiblemente a la temperatura  constante T, desde el volumen inicial V1, P1, hasta el volumen final V2, P2, V2 > V1, P2<P1. Por consiguiente, este proceso es irreversible  y solo se crea entropía positiva:

 

∆S = R· ln (V2/V1) -Q/T,  V2 > V1 ,   -Q/T = -0

 

   Lo que nos lleva a otra de las  definiciones de la entropía:

 

La entropía es la desaparición irreversible del desequilibrio relativo que tenía un subsistema.

 

El desequilibrio relativo dota, a determinados subsistemas, de la capacidad  de poder transformar el calor en trabajo al evolucionar reversiblemente entre dos estados.

 

 Genéricamente el valor de la entropía indica el grado de irreversibilidad de un determinado proceso. Un proceso es irreversible si solo se crea entropía positiva y para volver al estado anterior es necesario un trabajo auxiliar.

  Admitir que un incremento de la entropía  equivale a un incremento del desorden, nos lleva a la paradójica  conclusión de que, llegar al estado de equilibrio de forma reversible no incrementa el desorden, la entropía permanece constante, sin embargo, el estado final es el mismo que si se llega de forma irreversible.

 

   Las causas principales que crean entropía son:

 

a)      A temperatura constante: la evolución irreversible del volumen, ∆S = R· ln (V2/V1), V2 > V1.

 

b)     A volumen  constante: la conducción irreversible del calor,  ∆S =Q(1/Tf - 1/Tc),  Tc > Tf.

 

c)      Genéricamente: en cualquier proceso irreversible, ∆S = k· ln Ω.

 

  El incremento  de  entropía ∆S que sufre una partícula, en este caso una molécula, al evolucionar irreversiblemente a temperatura constante, desde el volumen inicial  n1 = V1/NA, hasta el volumen final  n2 = V2/NA, queda determinado por la siguiente ecuación:

 

 

 

 

  R = k·NA, k es la constante de  Boltzmann, NA es el número de Avogadro,  n1 y n2, respectivamente, son el volumen medio inicial y final ocupado por una molécula. En los procesos irreversibles, el estado de equilibrio queda determinado por la probabilidad termodinámica Ω, n2/n1. Si  los procesos son reversibles, aunque el estado final fuera el mismo, el incremento neto de la entropía sería 0.

 

 

 

 

¿QUÉ ES LA ENTROPÍA NEGATIVA?

 

  La termodinámica afirma rotundamente que es muy improbable, imposible, que: sin la ayuda de un trabajo auxiliar, un subsistema termodinámico evolucione desde un volumen inicial, hasta otro volumen  final menor, o que el calor fluya  desde un foco frío hasta otro foco más caliente. En ambos casos se crea un desequilibrio relativo, la entropía decrece, o lo que es lo mismo, se crea entropía negativa.

 

    Una de las formas  de definir la entropía negativa es la siguiente:

 

La entropía negativa es el desequilibrio relativo que adquiere un subsistema, gracias a un trabajo.

 

El desequilibrio relativo dota, a determinados subsistemas, de la capacidad de poder transformar  el calor en trabajo al evolucionar, entre dos estados, de forma reversible.

 

Genéricamente: la entropía negativa es la recuperación del estado anterior de un determinado subsistema, gracias a un trabajo auxiliar.

 

 Ejemplo: la reducción del volumen de un subsistema termodinámico, gracias a un trabajo, desde un valor inicial  V1, hasta otro valor final menor V2.

 

  Esta reducción del volumen crea un desequilibrio relativo, mayor presión, que otorga al subsistema termodinámico la capacidad  de poder transformar el calor Q, en el trabajo W,  a la temperatura constante T, al evolucionar  su volumen de forma reversible desde un valor inicial menor V2, hasta otro volumen final mayor V1.

 

  En los subsistemas  termodinámicos clásicos el trabajo necesario para crear entropía negativa siempre se transforma en calor, lo que implica la creación de su equivalente de entropía positiva, Q/T. Por lo tanto, en los procesos reversibles se crea igual cantidad de entropía negativa que positiva, con lo que el balance neto de creación de entropía es nulo, la entropía permanece constante.

 

Ejemplo: al comprimir reversiblemente un gas en un subsistema termodinámico,  V2 < V1, a la temperatura constante T, se crean dos tipos de entropía:

 

 

 

 

 

 

 Un proceso es irreversible si  solo se crea  entropía positiva. Si la entropía permanece constante el proceso es reversible. Los procesos con creación neta de entropía negativa son imposibles en los subsistemas termodinámicos clásicos, 2ª ley de la termodinámica.

 

La gran diferencia entre la entropía negativa y la entropía positiva radica en lo siguiente:

 

a)   La creación de entropía positiva es espontanea, no se requiere trabajo alguno para crearla. Como ocurre en el transporte irreversible del calor desde un cuerpo caliente a otro más frío, o la expansión irreversible de un gas desde un  recinto  a otro de presión menor. Existe una tendencia natural al estado de equilibrio. Si el equilibrio se consigue de forma irreversible se crea entropía positiva.

 

b)   Para  crear entropía negativa es necesario un determinado trabajo. En los subsistemas termodinámicos clásicos el trabajo empleado para crearla siempre se transforma en calor. No obstante, existen subsistemas potenciales en los cuales, en condiciones especiales, el trabajo necesario para crear entropía negativa se transforma en  energía potencial.

 

 

 

 

 

 

 ENTROPÍA NEGATIVA NETA

(ENN)

 

 

   Hay subsistemas potenciales en los que, el trabajo empleado en la evolución de subida se transforma en energía potencial, +∆Ep, al mismo tiempo que su entropía disminuye, V2 <V1, se comprime  el subsistema.

 Lo más importante en estos casos es que, la energía potencial, +∆Ep, que adquiere el subsistema, en determinadas condiciones, se recupera de nuevo como trabajo -∆Ep, en la evolución de bajada a entropía constante.  Por lo tanto, al final del ciclo ideal, el subsistema adquiere una entropía negativa neta, (ENN), sin gasto neto de trabajo.

 

 

 

 

ENN = -∆Sn = R· ln (V2/V1) +∆Ep /T+ R· ln (V2/V2) -∆Ep /T ,  V2 <V1

 

 

 

 La ENN, -∆Sn, se puede definir  de la siguiente manera:

 

Es la entropía negativa que adquiere un subsistema potencial, al final de un ciclo ideal, sin gasto neto de trabajo.

 

 

La ENN es equivalente a: comprimir un gas sin gasto neto de trabajo.

 

 

 

  Los procesos creadores o generadores de ENN son imposibles en los subsistemas termodinámicos clásicos, 2ª ley de la termodinámica. La termodinámica afirma que, para comprimir un gas, hacer que las moléculas ocupen un volumen menor, es necesario un determinado trabajo, el cual necesariamente se debe de transformar íntegramente en calor. También afirma que, para transferir el calor desde un foco frío, hasta otro foco más caliente, es necesario un determinado trabajo el cual se debe de transformar íntegramente en calor. No obstante, la realidad confirma que existen subsistemas potenciales en los que, el trabajo necesario para crear  entropía negativa, compresión potencial,  no se transforma en calor. 

 

 

LA COMPRESIÓN POTENCIAL

 

  La inversión de población o compresión potencial es el  paradigma por excelencia para demostrar que cuando un subsistema potencial evoluciona, en determinadas condiciones, desde un nivel inferior n1, hasta otro nivel superior n2 más poblado, que hay más partículas por unidad de volumen, el volumen ocupado por cada una de las partículas que forma el subsistema termodinámico asociado sufre una reducción, es decir: su entropía disminuye  S2 < S1. Lo más importante en este proceso es que, el trabajo necesario para realizar dicha evolución a temperatura constante no se transforma en calor y se disipa creando entropía positiva, sino que se transforma en energía potencial, la cual se puede recuperar, en determinadas condiciones, íntegramente de nuevo como trabajo en la evolución de bajada.

 

 Un ejemplo macroscópico de compresión potencial (inversión de población) es el difusor potencial.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EVOLUCIÓN DE BAJADA ISOENTRÓPICA

 

 Cuando un subsistema potencial evoluciona desde un nivel superior, con densidad de población n2, hasta otro nivel inferior con densidad de población n1, permaneciendo constante en el subsistema termodinámico asociado, la temperatura y la densidad de población n1 = n2, la entropía de dicho subsistema también permanece constante: evolución isoentrópica.

 

 Un ejemplo macroscópico de bajada isoentrópica  es la tobera potencial.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CREACIÓN DE ENN MEDIANTE EL CICLO DEL SUBSISTEMA POTENCIAL

 

  El trabajo necesario para que evolucione el subsistema potencial desde un nivel inferior n1, hasta otro nivel superior n2, es idéntico al que cede dicho subsistema al evoluciona desde el nivel n2, hasta el nivel n1. Por lo tanto, el balance neto del trabajo necesario para realizar el ciclo ideal es nulo.

 

 Lo que sí puede ser diferente, según sean las condiciones en las que se haga  la evolución del ciclo, es  la variación  que sufre la entropía del subsistema termodinámico asociado.

 

  Ejemplo: una subida con compresión potencial, S2 < S1, y una bajada isoentrópica, S3 = S2, lo que significa  la creación de ENN = -∆Sn = S3-S1, sin gasto neto de trabajo.

 

Un ejemplo macroscópico es el ciclo del subsistema potencial en el campo gravitatorio.

 

 

 Un ciclo del subsistema potencial  es creador o generador de ENN, cuando, sin necesidad de un aporte neto de trabajo auxiliar, la entropía del subsistema termodinámico asociado al final del ciclo S3, es menor que la entropía inicial  del mismo S1,  S3 < S1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 Para la termodinámica, en los subsistemas termodinámicos clásicos, crear netamente entropía negativa es imposible, sin embargo, en los subsistemas potenciales sí es posible.

 

 

 

 

 

 

 

El CICLO-I (CI)

 

  El CICLO-I es un ciclo en un subsistema potencial que cumple con los mismos  objetivos que el  ciclo del subsistema potencial en el campo gravitatorio. Las diferencias principales con este son: el campo de fuerza puede ser miles de veces más  intenso que el campo gravitatorio, lo que permite que su tamaño, para igual potencia, sea relativamente  muy pequeño. Los fundamentos de los funcionamientos de los equivalentes del difusor potencial y la tobera potencial son  muy diferentes pero sencillos, siendo su diseño simple. 

 

  La  sinopsis  breve del CICLO-I es casi una repetición de lo ya dicho:

 

 

 

 

 

  Mediante un trabajo, ∆Ep, se bombea un gas en un campo de fuerza  desde un nivel inferior n1, hasta otro nivel superior n2, transformando el trabajo empleado en energía potencial y no en calor, con el matiz importantísimo de que: el gas en este proceso se comprime a temperatura constante, V2<V1, de una forma equivalente  a cómo ocurre en el difusor potencial.

 

  Una vez que  el gas está  comprimido en el nivel superior, desciende a presión y temperatura casi constante al nivel inferior, cediendo como trabajo la energía potencial que había adquirido en la evolución de subida. Por lo tanto, el trabajo neto necesario para realizar el ciclo ideal, crear un desequilibrio relativo, P2>P1, es nulo. La presión final P2 es mayor que la inicial P1.

 

 

 

 

EL COMPRESOR DE CICLO-I

(CCI)

 

 

  El CICLO-I  es un compresor de consumo neto nulo: el trabajo necesario para comprimir el gas se vuelve a  recuperar de nuevo como trabajo.

 

  El gas comprimido  obtenido en el CCI, sin gasto neto de trabajo, permite transformar  el calor Q, en el trabajo W, a la temperatura constante T, (MPP2).

 

 

W = -T(-∆Sn) = Fuente ilimitada de energía útil

 

 

 

 

 

 

 

 

 LA ERA DE LA ENERGÍA RECICLADA à