El calor interno es la fuente de calor del interior de los objetos celestes , como estrellas , enanas marrones , planetas , lunas , planetas enanos y (en la historia temprana del Sistema Solar ) incluso asteroides como Vesta , como resultado de la contracción causada por la gravedad. (El mecanismo de Kelvin-Helmholtz ), la fusión nuclear , el calentamiento de las mareas , la solidificación del núcleo (el calor de la fusión liberado al solidificarse el material del núcleo fundido) y la desintegración radioactiva.. La cantidad de calentamiento interno depende de la masa ; Cuanto más masivo es el objeto, más calor interno tiene; Además, para una densidad dada, cuanto más masivo sea el objeto, mayor será la relación de masa a área de superficie y, por lo tanto, mayor será la retención de calor interno. [ cita requerida ] El calentamiento interno mantiene los objetos celestes calientes y activos.
Pequeños objetos celestes [ editar ]
En la historia temprana del Sistema Solar, los isótopos radioactivos que tienen una vida media del orden de unos pocos millones de años (como el aluminio-26 y el hierro-60 ) fueron lo suficientemente abundantes para producir suficiente calor como para causar la fusión interna de algunas lunas y incluso algunos asteroides, como Vesta señaló anteriormente. Después de que estos isótopos radioactivos se hubieran reducido a niveles insignificantes, el calor generado por los isótopos radiactivos de vida más larga (como el potasio-40 , el torio-232 y el uranio-235 y el uranio-238 ) fue insuficiente para mantener estos cuerpos fundidos a menos que tuvieran Fuente alternativa de calefacción interna, como la calefacción por mareas. Así, la luna de la tierra., que no tiene una fuente alternativa de calentamiento interno ahora está geológicamente muerta, mientras que una luna tan pequeña como Encelado que tiene suficiente calentamiento tidal (o al menos lo tuvo recientemente) y algo de calentamiento radiactivo restante, es capaz de mantener un crovolcanismo activo y directamente detectable .
Planetas [ editar ]
Planetas terrestres [ editar ]
El calentamiento interno dentro de los planetas terrestres potencia las actividades tectónicas y volcánicas . De los planetas terrestres en el Sistema Solar, la Tierra tiene el mayor calentamiento interno porque es el más masivo. Mercurio y Marte no tienen efectos superficiales visibles continuos del calentamiento interno porque son solo 5 y 11% de la masa de la Tierra respectivamente; están casi "geológicamente muertos" (sin embargo, vea el campo magnético de Mercurio y la historia geológica de Marte ). La Tierra, al ser más masiva, tiene una proporción suficientemente grande de masa a área superficial para su calentamiento interno para impulsar la tectónica de placas y el volcanismo..
Los gigantes de gas [ editar ]
Los gigantes gaseosos tienen un calentamiento interno mucho mayor que los planetas terrestres, debido a su mayor masa y mayor compresibilidad, lo que hace que haya más energía disponible a partir de la contracción gravitacional. Júpiter , el planeta más masivo del Sistema Solar, tiene el mayor calentamiento interno, con una temperatura central estimada de 36,000 K. Para los planetas exteriores del Sistema Solar, el calentamiento interno alimenta el clima y el viento en lugar de la luz solar que alimenta el clima para planetas terrestres. El calentamiento interno dentro de los planetas gigantes de gas eleva las temperaturas por encima de las temperaturas efectivas, Como en el caso de Jupiter, esto hace 40 K más caliente que la temperatura efectiva dada. Se piensa que una combinación de calentamiento externo e interno (que puede ser una combinación de calentamiento por mareas y calentamiento electromagnético) hace que planetas gigantes que orbitan muy cerca de sus estrellas ( Júpiter calientes ) en " planetas hinchados " (no se cree que el calentamiento externo sea suficiente por sí mismo).
Las enanas marrones [ editar ]
Las enanas marrones tienen mayor calentamiento interno que los gigantes gaseosos, pero no tan grandes como las estrellas. El calentamiento interno en las enanas marrones (inicialmente generado por la contracción gravitacional) es lo suficientemente grande como para encender y sostener la fusión de deuterio con hidrógeno a helio ; para las enanas marrones más grandes, también es suficiente para encender y mantener la fusión de litioCon hidrógeno, pero no con fusión de hidrógeno consigo mismo. Al igual que los gigantes gaseosos, las enanas marrones pueden tener el clima y el viento impulsado por el calentamiento interno. Las enanas marrones son objetos subestelares que no son lo suficientemente grandes para sostener las reacciones de fusión del hidrógeno-1 en sus núcleos, a diferencia de las estrellas de la secuencia principal. Las enanas marrones ocupan el rango de masa entre los gigantes gaseosos más pesados y las estrellas más ligeras, con un límite superior de 75 a 80 masas de Júpiter (MJ). Se piensa que las enanas marrones de más de 13 MJ se fusionan con el deuterio y las de más de 65 MJ, y también el litio.
Estrellas [ editar ]
El calentamiento interno dentro de las estrellas es tan grande que (después de una fase inicial de contracción gravitacional) encienden y sostienen la reacción termonuclear del hidrógeno (consigo mismo) para formar helio , y pueden producir elementos más pesados (ver nucleosíntesis estelar ). El solpor ejemplo, tiene una temperatura central de 13,600,000 K. Mientras más masivas y viejas son las estrellas, más calentamiento interno tienen. Durante el final de su ciclo de vida, el calentamiento interno de una estrella aumenta dramáticamente, causado por el cambio de la composición del núcleo a medida que se consumen los combustibles sucesivos para la fusión, y la contracción resultante (acompañada por un consumo más rápido del combustible restante). Dependiendo de la masa de la estrella, el núcleo puede calentarse lo suficiente como para fusionar el helio (formando carbono y oxígeno y trazas de elementos más pesados), y para estrellas suficientemente masivas incluso grandes cantidades de elementos más pesados. Fusión para producir elementos más pesados que el hierro y el níquel.Ya no produce energía, y dado que los núcleos estelares son lo suficientemente masivos para alcanzar las temperaturas requeridas para producir estos elementos y son demasiado masivos para formar estrellas enanas blancas estables , se produce una supernova de colapso del núcleo , que produce una estrella de neutrones o un agujero negro , dependiendo de la masa. El calor generado por el colapso queda atrapado dentro de una estrella de neutrones y solo se escapa lentamente, debido a la pequeña área de superficie; el calor no se puede extraer de un agujero negro en absoluto (sin embargo, vea la radiación de Hawking ).
un proceso que no es reversible se llama irreversible . Este concepto surge frecuentemente en la termodinámica .
En termodinámica, un cambio en el estado termodinámico de un sistema y todo su entorno no se puede restaurar con precisión a su estado inicial mediante cambios infinitesimales en alguna propiedad del sistema sin gasto de energía. Un sistema que experimenta un proceso irreversible aún puede ser capaz de volver a su estado inicial. Sin embargo, la imposibilidad ocurre al restaurar el ambiente a sus propias condiciones iniciales. Un proceso irreversible aumenta la entropía del universo. Debido a que la entropía es una función de estado , el cambio en la entropía del sistema es el mismo, ya sea que el proceso sea reversible o irreversible. La segunda ley de la termodinámica. Se puede utilizar para determinar si un proceso es reversible o no.
Intuitivamente, un proceso es reversible si no hay disipación. Por ejemplo, la expansión de Joule.Es irreversible porque inicialmente el sistema no es uniforme. Inicialmente, hay una parte del sistema con gas, y otra parte del sistema sin gas. Para que se produzca la disipación, es necesario que exista tal no uniformidad. Esto es igual que si un sistema en la sección del gas estuviera caliente y el otro frío. Entonces se produciría la disipación; la distribución de la temperatura se volvería uniforme sin realizar ningún trabajo, y esto sería irreversible porque no se podría agregar o eliminar el calor o cambiar el volumen para que el sistema vuelva a su estado inicial. Por lo tanto, si el sistema siempre es uniforme, entonces el proceso es reversible, lo que significa que puede devolver el sistema a su estado original ya sea agregando o eliminando calor, realizando trabajos en el sistema o dejando que el sistema funcione. Como otro ejemplo, para aproximar la expansión en un motor de combustión interna como reversible, supondríamos que la temperatura y la presión cambian de manera uniforme en todo el volumen después de la chispa. Obviamente, esto no es cierto y hay un frente de llama y, a veces, inclusoGolpeteo del motor . Una de las razones por las que los motores Diesel pueden lograr una mayor eficiencia es que la combustión es mucho más uniforme, por lo que se pierde menos energía en la disipación y el proceso es más cercano a reversible. [ cita requerida ]
Todos los procesos naturales complejos son irreversibles. [1] [2] [3] [4] El fenómeno de la irreversibilidad resulta del hecho de que si un sistema termodinámico , que es cualquier sistema de complejidad suficiente, de moléculas que interactúan se lleva de un estado termodinámico a otro, la configuración o disposición Los átomos y las moléculas en el sistema cambiarán de una manera que no es fácilmente predecible. [5] [6] Se utilizará cierta "energía de transformación", ya que las moléculas del "cuerpo de trabajo" trabajan unas en otras cuando cambian de un estado a otro. Durante esta transformación, habrá alguna pérdida o disipación de energía térmica.Debido a la fricción intermolecular y las colisiones. Esta energía no será recuperable si el proceso se invierte.
Se ha encontrado que muchos procesos biológicos que antes se consideraban reversibles en realidad son un par de dos procesos irreversibles. Mientras se creía que una sola enzima catalizaba los cambios químicos tanto hacia delante como hacia atrás, la investigación ha encontrado que normalmente se necesitan dos enzimas separadas de estructura similar para realizar lo que resulta en un par de procesos termodinámicamente irreversibles.
La termodinámica define el comportamiento estadístico de un gran número de entidades, cuyo comportamiento exacto viene dado por leyes más específicas. Dado que las leyes teóricas fundamentales de la física son reversibles en el tiempo, [8] aunque experimentalmente, la probabilidad de reversibilidad real es baja, las presuposiciones anteriores pueden cumplirse y / o el estado anterior puede recuperarse solo en mayor o menor grado (ver: principio de incertidumbre ). La irreversibilidad de la termodinámica debe ser de naturaleza estadística; es decir, que debe ser simplemente altamente improbable, pero no imposible, que un sistema disminuirá su entropía.
Historia [ editar ]
El físico alemán Rudolf Clausius , en la década de 1850, fue el primero en cuantificar matemáticamente el descubrimiento de la irreversibilidad en la naturaleza a través de su introducción del concepto de entropía . En su memoria de 1854 "Sobre una forma modificada del segundo teorema fundamental en la teoría mecánica del calor", Clausius afirma:
| " | Además, puede suceder que, en lugar de una transmisión descendente de calor que acompaña, en el mismo proceso, la transmisión ascendente, se pueda producir otro cambio permanente que tenga la peculiaridad de no ser reversible sin que sea reemplazado por un nuevo cambio permanente. de un tipo similar, o produciendo una transmisión de calor descendente. | ” |
En pocas palabras, Clausius afirma que es imposible que un sistema transfiera calor de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente. Por ejemplo, una taza de café caliente colocada en un área de temperatura ambiente (~ 72 ° F) transferirá calor a sus alrededores y, por lo tanto, se enfriará con la temperatura de la habitación aumentando ligeramente a ( ~ 72.3 ° F ). Sin embargo, esa misma taza de café inicial nunca absorberá el calor de sus alrededores, lo que hará que se vuelva aún más caliente, con la temperatura de la habitación disminuyendo a ( ~ 71.7 ° F ). Por lo tanto, el proceso de enfriamiento del café es irreversible a menos que se agregue energía adicional al sistema.
Sin embargo, surgió una paradoja al intentar conciliar el microanálisis de un sistema con las observaciones de su macroestado. Muchos procesos son matemáticamente reversibles en su microstate cuando se analizan utilizando la mecánica newtoniana clásica. Esta paradoja claramente contamina las explicaciones microscópicas de la tendencia macroscópica hacia el equilibrio, como el argumento de James Clerk Maxwell de 1860 de que las colisiones moleculares conllevan una igualación de las temperaturas de los gases mixtos. [9] Desde 1872 hasta 1875, Ludwig Boltzmann reforzó la explicación estadística de esta paradoja en la forma de la fórmula de entropíade Boltzmann.indicando que a medida que aumenta el número de posibles microestados en los que puede estar un sistema, aumenta la entropía del sistema y es menos probable que el sistema regrese a un estado anterior. Sus fórmulas cuantificaron el trabajo realizado por William Thomson, 1er barón Kelvin, quien argumentó que:
| " | Las ecuaciones de movimiento en dinámica abstracta son perfectamente reversibles; cualquier solución de estas ecuaciones sigue siendo válida cuando la variable de tiempo t se reemplaza por –t. Por otro lado, los procesos físicos son irreversibles: por ejemplo, la fricción de los sólidos, la conducción del calor y la difusión. Sin embargo, el principio de disipación de energía es compatible con una teoría molecular en la que cada partícula está sujeta a las leyes de la dinámica abstracta. | ” |
Otra explicación de los sistemas irreversibles fue presentada por el matemático francés Henri Poincaré . En 1890, publicó su primera explicación de la dinámica no lineal, también llamada teoría del caos . Aplicando la teoría del caos a la segunda ley de la termodinámica , la paradoja de la irreversibilidad se puede explicar en los errores asociados con el escalado de los microestados a los macroestados y los grados de libertad utilizados al realizar observaciones experimentales. Sensibilidad a las condiciones iniciales relacionadas con el sistema y su entorno en los compuestos del microestado en una exhibición de características irreversibles dentro del ámbito físico observable. [12]
Ejemplos de procesos irreversibles [ editar ]
En el ámbito físico, existen muchos procesos irreversibles a los que se puede atribuir la incapacidad de lograr el 100% de eficiencia en la transferencia de energía. La siguiente es una lista de eventos espontáneos que contribuyen a la irreversibilidad de los procesos. [13]
- Transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita
- Fricción
- Deformación plastica
- Flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia.
- Magnetización o polarización con una histéresis.
- Expansión desenfrenada de fluidos.
- Reacciones químicas espontáneas
- Mezcla espontánea de materia de composición / estados variables
Una expansión de Joulees un ejemplo de la termodinámica clásica, ya que es fácil calcular el aumento resultante de la entropía. Ocurre cuando un volumen de gas se mantiene en un lado de un contenedor aislado térmicamente (a través de una pequeña partición), y el otro lado del contenedor está siendo evacuado; La partición entre las dos partes del contenedor se abre y el gas llena todo el contenedor. La energía interna del gas permanece igual, mientras que el volumen aumenta. El estado original no se puede recuperar simplemente comprimiendo el gas a su volumen original, ya que la energía interna aumentará con esta compresión. El estado original solo se puede recuperar enfriando luego el sistema comprimido de nuevo y, por lo tanto, calentando el ambiente de manera irreversible. El diagrama a la derecha se aplica solo si la primera expansión es "libre" (expansión Joule). es decir
Sistemas complejos [ editar ]
La diferencia entre eventos reversibles e irreversibles tiene un valor explicativo particular en sistemas complejos(como organismos vivos o ecosistemas ). Según los biólogos Humberto Maturana y Francisco Varela , los organismos vivos se caracterizan por la autopoiesis , que permite su existencia continua. El físico y químico Ilya Prigogine ha descrito formas más primitivas de sistemas de autoorganización . En el contexto de sistemas complejos, eventos que llevan al final de ciertos procesos de autoorganización , como la muerte.La extinción de una especie o el colapso de un sistema meteorológico puede considerarse irreversible. Incluso si se pudiera desarrollar un clon con el mismo principio organizativo (por ejemplo, una estructura de ADN idéntica), esto no significaría que el sistema distinto anterior vuelva a existir. Los eventos a los que se pueden adaptar las capacidades de autoorganización de organismos, especies u otros sistemas complejos, como lesiones menores o cambios en el entorno físico son reversibles. Sin embargo, la adaptación depende de la importación de negentropía en el organismo, lo que aumenta los procesos irreversibles en su entorno. [14] Principios ecológicos, como los de sostenibilidad y el principio de precaución.Se puede definir con referencia al concepto de reversibilidad.
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