Puedo inferir por qué la conservación de la energía debería ser verdadera, por supuesto, para la rendición de cuentas, pero ¿cómo se racionaliza la ley de eficiencia (también conocida como ley 2 de termodinámica)?

Answer 1

Creo que la mejor manera de visualizar la segunda ley es a través de la noción de un motor Heat. Un motor térmico funciona cuando la energía fluye de un lugar cálido a un lugar frío.

Esa asimetría entre calor y frío es la base de una direccionalidad en el universo. La totalidad del “calor” en el universo en relación con el “frío” es una cantidad que podemos seguir. Esa cantidad es “entropía”, y solo puede aumentar. A medida que el universo avanza, pasa de tener más estados con calor y frío ampliamente separados, a tener calor y frío distribuidos de manera más equitativa. Como una cuestión puramente probabilística, es más probable que el universo esté en un estado donde el calor no puede transferirse que un estado donde sí puede.

Si pudiera obtener trabajo de un motor térmico sin pérdidas, podría ejecutar el proceso en reversa para crear más puntos fríos y calientes simplemente bombeando energía. Si pudieras hacer eso sin pérdidas, podrías revertir la entropía del universo. Y como acabamos de decir, eso es poco probable: hay más formas para que el universo carezca de orden (separación de calor y frío) que para ser ordenado.

Por lo tanto, cualquier motor térmico tiene una eficiencia máxima, que se define por la relación de las temperaturas entre el frío y el calor. Cuanto más frío esté su sumidero frío, más eficiente puede ser. Si tuviera un sumidero infinito de cero absoluto, podría ser perfectamente eficiente. Pero no tienes acceso a un sumidero frío infinito. Solo tienes el área a tu alrededor, donde incluso las cosas frías están a unos cientos de grados Kelvin.

El universo como un todo en realidad puede ser perfectamente eficiente, ya que todo en el universo se dirige hacia su muerte por calor. Pero justo donde estamos, está limitado por el fondo cósmico de microondas, un baño de calor de 3K que rodea a todos y todo, y ese es el límite práctico de lo bien que puede hacerlo. Incluso ese límite práctico es inalcanzable en la tierra, donde vives a solo 8 minutos luz de una estrella que bombea mucho calor, y un cuerpo que ha estado almacenando ese calor durante cinco mil millones de años y ha llegado a un equilibrio aproximado.

Eso limitará la eficiencia de cualquier motor térmico que intente operar. Su sumidero frío estará alrededor de 300K, o quizás 30-50 grados más frío si busca un lugar realmente frío. Eso es un largo camino desde cero.

Answer 2

La segunda ley de la termodinámica es cierta porque es un hecho experimentado que nunca se ha desarrollado un motor térmico que convierta el calor extraído de un depósito de alta temperatura en trabajo sin rechazar primero ALGUNA cantidad de calor a un depósito a una temperatura más baja.
Sin embargo, es importante entender que la Segunda Ley NO es una deducción de la Primera Ley.
Si la segunda ley no fuera cierta, sería posible, por ejemplo, correr un barco a través del océano extrayendo calor del océano. Después de todo, el océano es un gran reservorio de energía interna, parte del cual, podría ser posible extraer en forma de flujo de calor. No hay nada en la Primera Ley que impida la conversión de este calor completamente en trabajo.
La segunda y la primera ley, por lo tanto, se refieren a diferentes hechos sobre la naturaleza.
La Primera Ley niega la posibilidad de destruir y crear energía.
La segunda ley describe las leyes por las cuales se puede utilizar dicha energía.
Se mantiene bien porque nadie ha encontrado una manera de evitarlo.
Espero que esto ayude.

Answer 3

¿Racionalizado? Asumiré que esta elección de la palabra incorrecta se debe al inglés limitado.

No fue ‘racionalizado’. En su forma más temprana, fue derivada por un extenso experimento. Luego, una vez que los físicos inventaron la mecánica estadística y reformularon la Ley como la Ley de la entropía no decreciente, se convirtió en una consecuencia de la Ley de los grandes números: en cualquier proceso físico, ese aumento de la entropía es infinitamente más probable que disminuya.

Answer 4

No es cierto que “… ¿la conversión de energía de un tipo a otro sea 100% eficiente alguna vez?”

El calor no puede convertirse en trabajo mecánico sin expulsar algo de calor al medio ambiente. Un motor térmico no puede ser 100% eficiente. Un motor eléctrico, en teoría, puede ser 100% eficiente.

La energía nunca desaparece, pero la Segunda Ley dice que se dispersa en depósitos de baja temperatura donde es cada vez menos útil.