Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Segunda Ley


La termodinámica, una rama fundamental de la física, trata sobre los principios de transferencia de energía y la transformación del calor en otras formas de energía. Los logros en este campo incluyen el establecimiento de las leyes de la termodinámica, que sirven como la piedra angular para nuestra comprensión del mundo físico. De estas leyes, la segunda ley de la termodinámica ocupa un lugar especial no solo por sus implicaciones prácticas sino también por su profundidad filosófica al explicar la flecha del tiempo y el concepto de entropía. Esta ley explica por qué algunos procesos ocurren naturalmente mientras que otros no, y por qué la reversibilidad es una idealización más que una realidad.

Para entender el significado más profundo de la segunda ley, comencemos por explorar lo que dice. Esta ley a menudo se resume de la siguiente manera: "En cualquier proceso cíclico, la entropía aumentará o permanecerá igual." Esta expresión puede parecer simple a primera vista, pero nos introduce al concepto de entropía, que mide el grado de desorden o aleatoriedad en un sistema.

Antes de profundizar más en la teoría de la entropía, sería útil relacionar la segunda ley con ejemplos de la vida real. Imagina que se coloca una taza de café caliente en una habitación fría. Con el tiempo, el café se enfría y la temperatura de la habitación sube ligeramente hasta que se alcanza el equilibrio térmico. El calor fluye del café caliente a la habitación fría, pero nunca al revés. Esto es una manifestación de la segunda ley de la termodinámica: el calor fluye naturalmente de cuerpos más calientes a más fríos.

        ΔS ≥ 0
        ΔS ≥ 0
Esta ecuación representa una expresión fundamental de la segunda ley donde ΔS es el cambio en la entropía. Un proceso que incrementa la entropía total del universo es irreversible, mientras que un proceso en el cual la entropía total permanece constante es reversible.

Entropía y la flecha del tiempo

La entropía como manifestación del caos proporciona una dirección clara para el flujo del tiempo. En términos sencillos, el futuro es la dirección del tiempo donde la entropía aumenta. Esto nos ayuda a entender por qué los procesos que ocurren naturalmente proceden en una dirección particular (por ejemplo, la leche derramada no puede volver automáticamente a la botella).

        S = k_B * ln(Ω)
        S = k_B * ln(Ω)
Aquí, S es la entropía, k_B es la constante de Boltzmann, y Ω es el número de configuraciones microscópicas que corresponden al estado macroscópico del sistema termodinámico. Esta visión estadística de la entropía explica por qué la entropía aumenta: el universo tiende hacia estados con un mayor número de configuraciones.

Ejemplos prácticos de la segunda ley

Para ilustrar aún más la segunda ley, considere el siguiente experimento mental:

Ejemplo 1: Derritiendo hielo en un vaso de agua
Cuando los cubos de hielo se derriten en un vaso de agua a temperatura ambiente, absorben calor del agua circundante. El agua, al perder calor, se enfría ligeramente hasta alcanzar una temperatura uniforme, lo que refleja un aumento en la entropía del sistema.

agua a temperatura ambiente nieve

Ejemplo 2: Desinflado de un globo
Infla un globo y déjalo en una habitación por una hora. Inicialmente, está lleno y estirado. Con el tiempo, puede mostrar signos de encogimiento. Esto se debe a que las moléculas de aire presentes dentro del globo escapan al área circundante, causando desorden a medida que aumenta el volumen disponible para el aire.

Ciclo de Carnot

Abordando el campo de la eficiencia en motores térmicos, el ciclo de Carnot representa un modelo de motor ideal descrito bajo el marco de la segunda ley. Nombrado en honor a Sadi Carnot, representa un motor que opera entre dos reservorios de temperatura, absorbiendo calor de un reservorio caliente y convirtiéndolo parcialmente en trabajo, liberando la energía restante a un reservorio frío.

Imagina el ciclo de Carnot:
1. Expansión isotérmica: A alta temperatura, el gas absorbe calor. 2. Expansión adiabática: El gas realiza trabajo y se enfría sin transferencia de calor. 3. Compresión isotérmica: A baja temperatura, el gas libera calor. 4. Compresión adiabática: El gas se comprime y calienta sin transferencia de calor.

reservorio calentado Reservorio frío Salida de trabajo 

        η = 1 - (T_C / T_H)
        η = 1 - (T_C / T_H)
Esta ecuación da la eficiencia η de un motor de Carnot, donde T_C y T_H son las temperaturas de los reservorios frío y caliente, respectivamente, expresadas en Kelvin. Esto demuestra la segunda ley al establecer límites a la eficiencia máxima posible de un motor térmico.

Entropía, información y el universo

El concepto de entropía va más allá al vincular la termodinámica con la teoría de la información. La noción física de entropía mide la incertidumbre e imprevisibilidad. Claude Shannon introdujo un concepto similar en la teoría de la información, midiendo la información como, efectivamente, una medida de sorpresa al predecir mensajes.

En la escala cosmológica, las leyes de la termodinámica, particularmente la segunda ley, proporcionan información sobre la evolución del universo. El aumento de entropía está correlacionado con la expansión del universo, lo que sugiere posibles escenarios para su futuro, comúnmente denominados "muerte térmica", donde la máxima entropía conduce a un estado de energía libre termodinámica, haciendo que los procesos sean efectivamente irrecuperables.

Conclusión

La segunda ley de la termodinámica ofrece profundas perspectivas más allá de los meros fenómenos físicos, estimulando nuestra comprensión de la dirección del tiempo y los procesos de una naturaleza fundamentalmente irreversible. Ya sea considerando fenómenos cotidianos o desentrañando máquinas termodinámicas complejas, la segunda ley proporciona una brújula universal que guía tanto la investigación científica como la reflexión filosófica, encarnando uno de los aspectos más convincentes de las leyes físicas que dan forma a nuestro universo.


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