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El primer principio dice que la energía se conserva, pero no dice hacia dónde van los procesos. Un café caliente se enfría solo, pero nunca se calienta solo robando calor al aire de la habitación, aunque eso no violaría la conservación de la energía. El segundo principio pone esa dirección: el calor va espontáneamente de lo caliente a lo frío, y ninguna máquina puede convertir todo el calor en trabajo. La magnitud que lo mide es la entropía.

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Lo que vas a aprender

  • Los enunciados del segundo principio.
  • Cómo funciona una máquina térmica y qué es su rendimiento.
  • El ciclo de Carnot y el rendimiento máximo posible.
  • Los frigoríficos y las bombas de calor.
  • Qué es la entropía y por qué siempre aumenta.

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Fundamentos teóricos

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Enunciados

  • Kelvin-Planck: es imposible una máquina que, funcionando en ciclo, convierta todo el calor que recibe de un foco en trabajo. Siempre hay que ceder algo de calor a un foco más frío.
  • Clausius: es imposible que el calor pase por sí solo de un cuerpo frío a uno caliente. Hace falta aportar trabajo (como hace un frigorífico).
Los dos enunciados son equivalentes: si se violara uno, se podría violar el otro.

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Máquinas térmicas

Una máquina toma calor QcQ_c de un foco caliente, produce un trabajo WW y cede QfQ_f a un foco frío. Por el primer principio, W=Qc−QfW = Q_c - Q_f. Su rendimiento: η=WQc=1−QfQc<1\eta = \frac{W}{Q_c} = 1 - \frac{Q_f}{Q_c} < 1 Un motor de gasolina ronda el 25-30 %; uno diésel, el 35-45 %; una central de ciclo combinado, el 60 %.

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Carnot

Ninguna máquina que trabaje entre dos focos a TcT_c y TfT_f (en kelvin) puede superar el rendimiento de una máquina de Carnot (reversible): ηCarnot=1−TfTc\eta_{\text{Carnot}} = 1 - \frac{T_f}{T_c} El ciclo de Carnot tiene dos isotermas y dos adiabáticas. Para mejorar el rendimiento hay que subir la temperatura del foco caliente o bajar la del frío. Puedes verlo en el simulador de ciclos termodinámicos.

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Frigoríficos y bombas de calor

Son máquinas térmicas al revés: con un trabajo WW sacan calor QfQ_f del foco frío y ceden Qc=Qf+WQ_c = Q_f + W al caliente. Su eficiencia se mide con el coeficiente de rendimiento (COP), que puede ser mayor que 1: COPfrigorıˊfico=QfW≤TfTc−TfCOPbomba=QcW≤TcTc−Tf\text{COP}_{\text{frigorífico}} = \frac{Q_f}{W} \le \frac{T_f}{T_c - T_f} \qquad \text{COP}_{\text{bomba}} = \frac{Q_c}{W} \le \frac{T_c}{T_c - T_f} Una bomba de calor (aerotermia) con COP 4 da 4 kWh de calor por cada kWh de electricidad: no “crea” energía, la bombea desde el aire exterior.

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Entropía

Para un proceso reversible, la variación de entropía es ΔS=∫dQrevTΔS=QT (a temperatura constante)\Delta S = \int\frac{dQ_{\text{rev}}}{T} \qquad \Delta S = \frac{Q}{T} \text{ (a temperatura constante)} Se mide en J/K. Segundo principio en términos de entropía: en un sistema aislado, ΔS≥0\Delta S \ge 0 Igual a cero solo en procesos reversibles (ideales); en los reales, siempre aumenta. Por eso los procesos espontáneos tienen una dirección: es la flecha del tiempo.

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Interpretación microscópica

Boltzmann relacionó la entropía con el número Ω\Omega de configuraciones microscópicas compatibles con el estado: S=kBln⁡ΩS = k_B\ln\Omega Un estado “desordenado” (el gas repartido por toda la caja) tiene muchísimas más configuraciones que uno “ordenado” (todo el gas en una esquina), así que es enormemente más probable. Lo puedes ver en los simuladores de difusión de gases y de la distribución de Boltzmann.

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Ejemplos resueltos

Ejemplo 1 · Rendimiento de un motor

Un motor toma 2000 J del foco caliente y cede 1400 J al frío. W=600W = 600 J, η=6002000=30 %\eta = \frac{600}{2000} = 30\,\%.
Una central de vapor trabaja entre 550 °C (823 K) y 30 °C (303 K). ηmax⁡=1−303823=63 %\eta_{\max} = 1 - \frac{303}{823} = 63\,\%.Las reales llegan a un 40 %: la diferencia se debe a las irreversibilidades (rozamientos, saltos de temperatura finitos).
Calefacción a 35 °C (308 K) con el exterior a 5 °C (278 K). COPmax⁡=30830=10,3\text{COP}_{\max} = \frac{308}{30} = 10{,}3. Una real llega a 3-5, mucho mejor que una estufa eléctrica (COP 1).Con el exterior a −10 °C (263 K), el máximo baja a 6,8: por eso rinden peor en climas muy fríos.
Se funde 1 kg de hielo a 0 °C. Q=334Q = 334 kJ. ΔS=334 000273=1223\Delta S = \frac{334\,000}{273} = 1223 J/K.
Pasan 1000 J de un cuerpo a 400 K a otro a 300 K. ΔS=−1000400+1000300=−2,5+3,33=+0,83\Delta S = -\frac{1000}{400} + \frac{1000}{300} = -2{,}5 + 3{,}33 = +0{,}83 J/K >0> 0: es espontáneo.Al revés saldría −0,83-0{,}83 J/K: imposible sin aportar trabajo.

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Errores frecuentes

  • Usar grados Celsius en las fórmulas de Carnot y de la entropía.
  • Pensar que un frigorífico enfría la cocina si se deja abierto. La calienta: cede al ambiente el calor que saca más el trabajo del motor.
  • Creer que la entropía de un sistema nunca puede bajar. Puede bajar (el agua al congelarse), siempre que la del entorno suba más. Lo que no baja es la del sistema aislado completo.
  • Confundir rendimiento y COP. El rendimiento de un motor es menor que 1; el COP de un frigorífico o una bomba suele ser mayor.

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Preguntas frecuentes

Los seres vivos no son sistemas aislados: toman energía de calidad (luz solar, alimentos) y devuelven al entorno calor y moléculas sencillas. Mantienen su orden interno a costa de aumentar mucho más la entropía de su alrededor.
Una hipótesis sobre el futuro lejano: si la entropía del universo sigue aumentando, llegaría un estado de temperatura uniforme en el que ya no habría diferencias de temperatura para producir trabajo. Faltarían muchísimos más años que la edad actual del universo.

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Temas relacionados

Primer principio

Energía interna, calor y trabajo.

Motor de cuatro tiempos

Una máquina térmica real.

Termoquímica

Entropía y energía libre en las reacciones.
Última modificación el 12 de octubre de 2026