Actividad cuarto parcial

DEMONIO" DE MAXWELL

El propósito de Maxwell al crear su "demonio" –nombre que le dió William Thompson, en realidad-, fue mostrar que la segunda Ley de la Termodinámica era una ley estadística, o sea, que describe exclusivamente las propiedades de un sistema formado por un inmenso número de moléculas.

Imagina Maxwell un gas encerrado en un recipiente, el cual está dividido en dos partes iguales –A y B- por un diafragma. Se supone que el gas en A está más caliente que en B, lo cual implica que, si bien la ley de distribuciones del mismo Maxwell exige que exista toda la gama de velocidades (o de momentos) tanto en A como en B, el promedio de energía cinética de las moléculas en A es más alta que el de las moléculas en B.

Maxwell habla de "un ser sujeto a las leyes naturales", pero que es capaz de percibir a cada molécula de gas en su movimiento y velocidad –luego, de percibir cada microestado-.
Además, imagina que existe un agujero en el diafragma, provisto de una trampa, que este ser es también capaz de abrir y cerrar a voluntad (o sea, de una manera muy humana).

Lo interesante es que este "demonio" realiza una selección de las moléculas, de manera tal que permite el paso –a través de este agujero- de las moléculas rápidas de B hacia A, a la vez que determina el paso de las moléculas lentas de A hacia B. ¿Cuál es el resultado de esta acción?

El resultado es que "la energía de A se incrementa y la de B disminuye; es decir, el sistema caliente se calienta más y el frío se enfría más, y, sin embargo, no se ha hecho trabajo alguno, sólo se ha empleado la inteligencia de un ser muy observador y de hábiles dedos".(Esta cita de Maxwell se encuentra en P.M Harman, 1990, pp. 168-169).

Todo lo que Maxwell pretendía con su "experimento mental", era demostrar que no había nada de contradictorio entre el comportamiento individual de las moléculas -en algunas de las cuales aleatoriamente se transfiere calor desde una molécula a otra contra un gradiente térmico-, y el comportamiento estadístico, en el cual el flujo de calor es siempre desde el cuerpo más caliente al más frío.

Fue Maxwell precisamente quien convenció a Boltzmann de la naturaleza estadística de la segunda ley, fundamento de la razón por la cual se descarta que la entropía aumente en un sistema aislado como resultado de una necesidad absoluta –aun cuando se considere sumamente probable que así ocurra-. Sin embargo, el argumento del "demonio" permitió llegar a conclusiones más allá de lo que pretendía Maxwell.

Brillouin mostró –al hacer un exhaustivo análisis del "experimento mental" de Maxwell- que la única posibilidad que tenía el "demonio" de percibir a las moléculas era usando una fuente luminosa, tal como una lámpara, dado que estaba al interior de un "cuerpo negro". Es decir, debido a la ausencia de luz, el "demonio" se encontraba a ciegas.

Pero la absorción de la radiación por parte del sistema aumenta la entropía de éste, más de lo que hubiera podido disminuir por la acción neguentrópica del "demonio". Luego, no hay contradicción con la segunda ley de la Termodinámica. (Leon Brillouin, 1956, p.68)

De aquí derivan ciertas consecuencias sumamente importantes. Brillouin concluyó lo siguiente: toda medición física implica necesariamente un aumento correspondiente de la entropía. Existe incluso un límite inferior (cuando D N es del orden de magnitud de k, la constante de Boltzmann; lo que corresponde casi a un bit), por debajo del cual toda medición es imposible.

En otras palabras, en toda medición física existe una interacción consumidora de energía, por la cual la cantidad de información adquirida por el "demonio" –que le permitiría reducir la entropía del sistema- tiene de todas maneras un costo en energía que se debe pagar. (Leon Brillouin, 1956, p.162)

Es a partir de este análisis del "demonio" de Maxwell, que Brillouin establece la equivalencia entre información y neguentropía, llamándole "el principio de neguentropía de la información".

De esta manera la información puede ser transformada en neguentropía –caso del "demonio", quien con su selección se opone al aumento de la entropía del gas-, y viceversa –adquisición de conocimiento-; o sea:

neguentropía « información.

Brillouin agrega: si la transformación es reversible, no hay pérdidas –que parece ser el caso de la acción enzimática-, mientras que éstas se producen siempre cuando la transformación es irreversible.



BIBLIOGRAFÍA
http://www.homeoint.org/books3/enzimas/famoso.htm

proyecto final

Primera Parte

Segunda Parte

Tercera Parte

Cuarta Parte

Quinta parte

Sexta Parte

2do resumen (parcial 3)

La Primera Ley de la Termodinámica o Primer Principio de la Termodinámica se postula a partir del siguiente hecho experimental:

En un sistema cerrado adiabático que evoluciona de un estado inicial A a otro estado final B, el trabajo realizado no depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido.
Este enunciado supone formalmente definido el concepto de trabajo termodinámico, y sabido que los sistemas termodinámicos sólo pueden interaccionar de tres formas diferentes (interacción material, interacción en forma de trabajo e interacción térmica). En general, el trabajo es una magnitud física que no es una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso seguido por dicho sistema. Este hecho experimental, por el contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabáticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final. En consecuencia, podrá ser identificado con la variación de una nueva variable de estado de dichos sistemas, definida como Energía.

Se define entonces la EnergíaU, ,como una variable de estado cuya variación en un proceso adiabático es el trabajo intercambiado por el sistema con su entorno:

deltaU=+W



Cuando el sistema cerrado evoluciona del estado inicial A al estado final B pero por un proceso no adiabático, la variación de la Energía debe ser la misma, sin embargo, ahora, el trabajo intercambiado será diferente del trabajo adiabático anterior. La diferencia entre ambos trabajos debe haberse realizado por medio de interacción térmica. Se define entonces la cantidad de energía térmica intercambiada Q (calor) como:

Q=deltaU-W


Esta definición suele identificarse con la ley de la conservación de la energía y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Es por ello que la ley de la conservación de la energía se utilice, fundamentalmente por simplicidad, como uno de los enunciados de la primera ley de la termodinámica:
La variación de energía de un sistema termodinámico cerrado es igual a la diferencia entre la cantidad de calor y la cantidad de trabajo intercambiados por el sistema con sus alrededores.
En su forma matemática más sencilla se puede escribir para cualquier sistema cerrado:

deltaU=Q+W

donde:

deltaU= es la variación de energía del sistema,
Q= es el calor intercambiado por el sistema, y
W=es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores.

1er resumen (tercer parcial)

CANTIDAD DE CALOR Y PROPIEDADES
TERMICAS DE LA MATERIA

¿Que es Calor?
Es el nombre de una de las formas que puede adoptar la energía. Hasta el siglo 19 se consideraba que el calor era un material sin peso. De acuerdo con la concepción actual, el calor es la Energía Cinética de las partículas atómicas.

Cantidad de Calor y medida:
Si se agita un recipiente con agua, se puede comprobar con un termómetro muy sensible, que se produce un aumento de temperatura. Este cambio se interpreta como un aumento de la energía Cinética de las moléculas a causa de su mayor agitación. Se ha hecho un trabajo sobre el sistema que incide en el aumento de energía interna haciendo que las moléculas se muevan con mayor rapidez, lo cual se traduce en una mayor temperatura del sistema.

Calor Especifico:
Es la energía térmica necesaria pera efectuar el cambio de fase de una sustancia, a temperatura constante. Cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de la sustancia para elevar su temperatura en un grado. Se definen calores específicos a presión constante y a volumen constante, representados ambos por Cp y Cv, dependientes ambos de la temperatura.

Gases Ideales:
El Gas Ideal, es aquel que cumple estrictamente con las leyes enunciadas por Boyle, Charles; etc. y el principio de Avogadro.

En un intento de comprender porque la relación PV / T, es constante para todos los gases, los científicos crear un modelo de Gas Ideal. los supuestos relativos a este son los siguientes:

-Todas las moléculas del gas ideal, tienen las mismas masas y se mueven al azar.
-Las moléculas son muy pequeñas y la distancia entre las mismas es muy grande.
-Entre las moléculas, no actúa ninguna fuerza, y en el único caso en que se influyen unas a otras es cuando chocan.
-Cuando una molécula choca con la pared del continente o con otra molécula, no hay perdida de energía cinética.
-La fuerza gravitatoria, que ejerce la tierra sobre las moléculas, se considera despreciable por lo que a su efecto sobre el movimiento de las moléculas se refiere.
-Las moléculas se mueven a tal velocidad que chocan con la pared del continente o entre sí antes de que la gravedad pueda influir de modo apreciable en su movimiento.

Ley General de los Gases:
En las leyes estudiadas hasta el momento, intervienen siempre dos variables y una constante. Esta ley enseña la manera como se comporta un gas ideal bajo cualquier condición de volumen, temperatura y presión. esta ley es la combinación de las leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac, expresándose de la siguiente manera:
V1 P1 = V2 P2
T1 T2

Ley del Gas Ideal:
Son entonces cuatro las variables que determinan el estado de un gas:
“V, n, P, T”. El volumen esta condicionado por las otras tres variables. Si se reúnen las leyes de Boyle, Charles y Avogadro en una sola, se obtiene:
V = R 1 (T)(n), entonces reagrupando PV = nRT.
p
La constante R es la constante universal de los gases y es igual a:
0,082 litros. atm/mol.k y es independiente de la naturaleza del gas.

Termómetro

Resumen 2 (parcial 2)

En esta semana vimos lo que es Calor Latente, y aquí hay una información acerca de este tema:


Calor latente de fusión o calor de cambio de estado, es la energía absorbida por las sustancias al cambiar de estado, de sólido a líquido (calor latente de fusión) o de líquido a gaseoso (calor latente de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se devuelve la misma cantidad de energía.


Cuando se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0°C(temperatura de cambio de estado), a partir de entonces, aun cuando se le siga aplicando calor, la temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo.Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100°C; desde ese momento se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua.Esta cualidad se utiliza en la cocina, en refrigeración, en bombas de calor y es el principio por el que el sudor enfría el cuerpo.

Calor latente de algunas sustancias: El agua tiene calor latente de vaporización más alto ya que, para romper los puentes de hidrógeno que enlazan las moléculas, es necesario suministrar mucha energía y el segundo más alto de fusión. Y el amoniaco al revés.
Agua: de fusión: 333,9 kJ/kg (79,9 kcal/kg); de vaporización: 2253 kJ/kg (539 kcal/kg).
Amoníaco: de fusión: 180 kcal/kg; de vaporización: 1369 kJ/kg (327 kcal/kg).

Una de las ventajas del elevado calor de vaporización del agua es que permite a determinados organismos disminuir su temperatura corporal. Esta refrigeración es debida a que, para evaporarse, el agua de la piel (por ejemplo, el sudor) absorbe energía en forma de calor del cuerpo, lo que hace disminuir la temperatura superficial.

Resumenes (parcial 2)