Abril-2024

J. Salas

teoria@pantermodinamica.com

 

 

LA ENTROPÍA NEGATIVA NETA

 

“Fuente inagotable de energía útil”

 

 

En determinados subsistemas potenciales se crea entropía negativa, -∆S, al incrementarse su 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:

 

En determinados subsistemas potenciales se crea entropía negativa, -∆S, al incrementarse su energía potencial.

 

 Un subsistema potencial puede ceder energía al subsistema termodinámico asociado, entre otras formas, como calor, al evolucionar espontáneamente 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 espontáneamente 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 espontáneamente el subsistema potencial desde el nivel superior hasta el nivel inferior, al ceder éste su energía en forma de calor, el calor va espontáneamente 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 de forma irreversible en el calor Q a la temperatura T, el cual  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 Q vale 0 el proceso es irreversible.

 

   Al aplicar la ecuación anterior 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 transformar 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 es una magnitud cuyo valor indica el grado de irreversibilidad de un determinado proceso.

 

a)    Un proceso es irreversible si en el mismo no se genera la entropía negativa o el trabajo necesario para volver al estado anterior.

b)   Si en un proceso la entropía negativa creada, o el trabajo producido, son iguales al necesario para volver al estado anterior, el proceso es reversible.

 

  En los procesos irreversibles se crea más entropía positiva que entropía negativa, la entropía crece. En los procesos reversibles se crea igual cantidad de entropía positiva que entropía negativa, la entropía permanece constante.

 

  La termodinámica define a la entropía S, 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 de forma irreversible en el calor Q, a las temperatura T, el cual 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, P1 > P2, 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 el desequilibrio relativo que tenía el subsistema termodinámico,  P1 > P2, 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, 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, en particular, es la perdida irreversible del desequilibrio relativo que tenía un subsistema, el cual le dotaba de la capacidad de transformar el calor en trabajo al evolucionar reversiblemente entre dos estados.

 

  La diferencia de determinados 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. Los desequilibrios relativos más comunes son: la diferencia de presión, la diferencia de temperatura, etc.

 

   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.

 

  Un subsistema ordenado no tiene que tener necesariamente un desequilibrio relativo, entropía negativa, pero la pérdida del orden de un subsistema, si no genera el trabajo, ni la entropía negativa, necesaria para volver al estado anterior es irreversible y crea entropía positiva.

 

    En los procesos irreversibles con desequilibrio relativo, el estado de equilibrio queda determinado por la probabilidad termodinámica Ω.

 

∆S = k· ln Ω

 

   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.

 

 

 

 

 

 

¿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 el desequilibrio relativo que tiene un subsistema, el cual le dota de la capacidad de transformar el calor en trabajo al evolucionar reversiblemente entre dos estados.

 

Q = W = -T(-ΔS) = ENERGÍA LIBRE

 

  Para que un subsistema pueda adquirir un desequilibrio relativo, entropía negativa, es necesario un determinado 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.

 

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

 

a)   El valor de la entropía positiva indica el grado de irreversibilidad de un determinado proceso. La creación de entropía positiva, en la mayoría de los casos, es espontánea, 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)  La entropía negativa indica el valor del desequilibrio relativo que tiene un subsistema. 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. La pérdida irreversible de la entropía negativa crea entropía positiva.

 

 

 

 

 

 

 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 láser. 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 láser. 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.

 

 

 

 

 

 

 

 PROSPECTIVA à