Noviembre-2023
J. Salas
TEORÍA DE LA PANTERMODINÁMICA
“En determinados subsistemas potenciales la
entropía disminuye, -∆S, al transformar el trabajo en energía
potencial”
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 clásicos 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, se crea entropía negativa.
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. Por lo tanto, solo queda admitir que la
entropía disminuye, se crea entropía negativa,
al transformar el trabajo en energía
potencial.
Un
subsistema potencial puede ceder energía al subsistema termodinámico
asociado, entre otras formas, como calor, al evolucionar desde un nivel
superior, hasta otro nivel inferior, sin importar
para ello el
valor que tenga la temperatura
del subsistema termodinámico.
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 están más calientes
que cualquier temperatura, incluso el infinito. Otra
sorprendente consecuencia es que, si la temperatura del subsistema
termodinámico en el nivel superior es menor que
la del nivel inferior, al evolucionar el subsistema potencial desde el
nivel superior hasta el nivel inferior, al ceder éste su energía en forma
de calor, el calor va desde el foco frío al
foco caliente.
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, v1 > v2,
es
necesario un determinado trabajo, por ejemplo: una determinada energía
cinética, la 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 trabajo degradado en forma de calor
Q a
la temperatura T que ya no se puede
trasformar de nuevo directamente en
trabajo, sin embargo, ∆Ep/T representa al trabajo transformado en un incremento de la energía potencial del
subsistema a la temperatura T. Este incremento de la energía
potencial del subsistema sí se puede trasformar de nuevo 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 un mol de un gas en
un subsistema
termodinámico clásico, al evolucionar a la temperatura constante T,
desde el volumen inicial V1, hasta el volumen final V2, es
la siguiente:
Como R = k·NA, se tiene que, el
incremento de entropía que sufre una molécula es:
Siendo v1
y v2,
respectivamente, el volumen medio inicial y final ocupado por una molécula y Q
sería el calor absorbido o cedido por dicha molécula.
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, v1 > v2, tenemos que,
como el trabajo empleado no se transforma
en el calor +Q, sino en la energía
potencial +∆Ep, se
tiene
que:
El
incremento neto de la entropía de la partícula es negativo:
La TERMODINÁMICA, en los procesos
termodinámicos clásicos, solo admite que la entropía disminuya, se cree entropía negativa, si cumplen la siguiente condición:
El trabajo
empleado en disminuir la entropía, crear entropía negativa, siempre se debe de transforma
íntegramente en calor.
Lo anterior
implica la creación simultánea de su equivalente de entropía positiva, Q/T,
por consiguiente, en los procesos
termodinámicos clásicos, 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 constata es lo siguiente:
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, +Q.
En estos casos la segunda ley de la termodinámica no se cumple
.
Conclusión:
a) La TERMODINAMICA afirma: El trabajo empleado en disminuir la
entropía, crear
entropía negativa, siempre se debe de transforma íntegramente en calor.
∆S
= R·ln(V2/V1) + Q/T = 0, V2 <V1
b) La PANTERMODINÁMICA
constata: En determinados subsistemas potenciales se
crea entropía negativa al transformar el trabajo en energía potencial.
-∆S= R·ln(V2/V1), V2
< V1 , ∆Ep /T≠ ∆S
¿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 que representa, en este caso, al trabajo degradado en forma de
calor Q, a las temperatura T,
que no se puede transforma de nuevo directamente en trabajo.
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:
Si en la
anterior ecuación, en el proceso de expansión
del gas, V2 > V1, el valor
del calor absorbido -Q vale -0, -Q/T = -0, significa que: no se ha
transformado ningún calor en trabajo en esta evolución. Se ha
perdido irreversiblemente la capacidad que
tenía el subsistema termodinámico, para
transformar el calor Q, en el trabajo
W,
al evolucionar reversiblemente a la
temperatura constante T,
desde el volumen inicial V1, hasta el volumen
final
V2, V2 > V1. 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 anterior nos
lleva a otra de las definiciones de la
entropía:
La entropía es la perdida irreversible de la capacidad que tenía
un subsistema para transformar el calor en trabajo al evolucionar
reversiblemente entre dos estados.
La diferencia de
los parámetros de un subsistema
entre dos estados es el desequilibrio
relativo. Su valor determina la capacidad que
tiene el subsistema para transformar el calor
en trabajo al evolucionar reversiblemente.
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, alcanzar el 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, lo que sí
incrementa la entropía.
Las causas
principales que crean entropía en un subsistema son:
a)
A temperatura
constante: la evolución irreversible del desequilibrio relativo
de la presión, ∆S = R· ln (P1/P2), P1 > P2.
b)
A volumen constante: la evolución irreversible del
desequilibrio relativo de la temperatura, ∆S
=Q(1/Tf - 1/Tc), Tc > Tf.
c)
Genéricamente: en
cualquier proceso en el que el desequilibrio relativo evolucione
irreversiblemente, ∆S = k· ln Ω.
Si el
desequilibrio relativo del orden de un subsistema solo depende de
procesos probabilísticos, la pérdida del
mismo será irreversible y el
estado de equilibrio queda determinado por la probabilidad termodinámica Ω.
¿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 clásico 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 la capacidad que tiene un subsistema para transformar el calor en
trabajo al evolucionar reversiblemente entre dos estados.
Q = W = -T(-ΔS)
= ENERGÍA LIBRE
Dicha capacidad queda determinada por el desequilibrio relativo entre dos estados.
Este se puede adquirir mediante un trabajo. Ejemplo: la reducción del volumen
de un subsistema termodinámico, gracias
a un trabajo, desde un valor inicial V1, hasta otro valor final
menor
V2.
La 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.
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, en
la mayoría de los casos, es espontanea,
no se requiere trabajo alguno para
crearla. Cómo 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 el
desequilibrio relativo que adquiere el subsistema termodinámico asociado al
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 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 a
escala atómica y molecular lo tenemos en
la inversión de población del laser. A escala
macroscópica tenemos como ejemplo la compresión potencial del difusor potencial.
S2 <
S1
EVOLUCIÓN DE
BAJADA ISOENTRÓPICA
Cuando un
subsistema potencial evoluciona desde un nivel superior, con densidad de
población 1/v2, hasta otro nivel inferior con densidad de
población 1/v1, permaneciendo constante en el subsistema
termodinámico asociado, la temperatura y la densidad de población 1/v1
=1/ v2, la entropía de dicho subsistema también
permanece constante: evolución
isoentrópica.
Un símil a escala atómica y molecular lo tenemos en la emisión estimulada del
laser. A escala macroscópica tenemos
como ejemplo la bajada isoentrópica de la tobera potencial.
S2 = S3
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:
a)
El campo de
fuerza puede ser miles de veces más intenso que
el campo gravitatorio.
b)
El tamaño es
relativamente muy pequeño para igual
potencia.
c)
Los fundamentos
de los equivalentes del difusor potencial
y la tobera
potencial son diferentes.
d)
Su diseño es más
simple.
La sinopsis
breve del CICLO-I es
casi una repetición de lo ya dicho:
Mediante
un trabajo 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, ∆Ep, y no
en el calor Q, con el matiz importantísimo de que: el
gas en este proceso se comprime a temperatura constante, V2 <
V1, P2
> P1, 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 y 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, +∆Ep , se vuelve a recuperar de nuevo como trabajo, -∆Ep.
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, al evoluciona reversiblemente desde la presión
inicial Pi, hasta la presión final Pf, Pi > Pf.
Q = W = T· R·ln(Pi/Pf)) = ENERGIA LIBRE NETA = Fuente
inagotable de energía útil.