1r ciclo ¿Los principios de la termo se demuestran?

[skan]

Buenas.

Los principios de la termodinámica se demuestran (quizá a partir de la mecánica estadística o de otras leyes básicas) o sólo son hipótesis basadas en cosas razonables o en la experiencia?

[skynet]

Re: ¿Los principios de la termo se demuestran?

no se demuestran, de hecho, son indemostrables, son hipótesis, su validez está basada en la capacidad que tiene la termodinámica de explicar los fenómenos observados hasta la fecha y de predecir los resultados de los futuros experimentos.

[skan]

Re: ¿Los principios de la termo se demuestran?

no se demuestran, de hecho, son indemostrables, son hipótesis, su validez está basada en la capacidad que tiene la termodinámica de explicar los fenómenos observados hasta la fecha y de predecir los resultados de los futuros experimentos.

¿No se demuestra ninguno de ellos?
Me sonaba que en mecánica estadística sí que se demostraba algo.

Entonces podría suceder que algún día cambie todo.

[pod]

Re: ¿Los principios de la termo se demuestran?

Buenas.

Los principios de la termodinámica se demuestran (quizá a partir de la mecánica estadística o de otras leyes básicas) o sólo son hipótesis basadas en cosas razonables o en la experiencia?

El primer principio es una consecuencia directa de (por no decir que es equivalente a) la conservación de la energía de todas las interacciones que se conocen.

Un titular algo sensacionalista sobre el segundo principio seria decir que es, de hecho, falso en sentido estricto. Y, sin embargo, es uno de los principios mejores establecidos en Física. Con acierto hablas de la mecánica estadística, lo que hace esta rama de la ciencia es tomar las leyes que gobiernan el comportamiento de las partículas individuales y hacer un tratamiento estadístico para obtener el valor de las magnitudes macroscópicas (termodinámicas). Ninguna ley del la Física aplicada a las partículas individuales dice nada al respecto de que tengan que evolucionar de una forma determinada para que la entropía no disminuya.

Será más fácil intentar explicarlo con un ejemplo. Imaginad el típico experimento del estilo Joule, donde un gas está confinado a ocupar medio recipiente y en cierto momento se elimina una pared para permitir que el gas ocupe todo. Sabemos que el gas se expandirá y (si no se le hace nada más) seguirá ocupando todo el volumen por siempre más. Pues bien, no hay ninguna ley Física que impida a cada una de la partículas que han pasado, volver a la mitad que ocupaba originalmente (esto seria algo que claramente violaría el segundo principio). De hecho, muchas de ellas lo hacen. Una vez ha pasado mucho tiempo, podríamos decir que cada una de ellas tiene una probabilidad 0.5 (= 1/2) de estar en la mitad original. Entonces, ¿cuál es la probabilidad de que todas las partículas vuelvan a la mitad original? Pues $p = (1/2)^N$.

Ahora, imagínate que tenemos cien partículas, que son muy pocas. La probabilidad seria $p\approx 10^{-30}$. Eso quiere decir que si observamos el sistema $10^{30}$ veces, podemos esperar verlo una sola vez con la configuración que deseamos (todas las partículas en la mitad original). Si pudiéramos hacer una comprobación una vez por segundo, tardaríamos $10^{30}$ segundos. Compara eso con la edad del universo, que es de unos $10^{17}$ segundos. Es decir, sólo con cien partículas, tendríamos que esperar unos diez millones (europeos) de veces la vida del universo para esperar ver una sola violación del segundo principio.

Por eso digo que el segundo principio es, en sentido estricto, falso. No hay ninguna ley microscópica de la cual se pueda demostrar (es más, una violación como la que hemos estado hablando es perfectamente posible teniendo en cuenta las leyes de las partículas). Sin embargo, que se dé dicha violación es tremendamente improbable. Fíjate que hemos hecho los cálculos con sólo cien partículas y nos salía una probabilidad minúscula. Ahora, recuerda la magnitud del número de Avogadro.

Y pese a ser falso, es el principio mejor establecido de la Física porque la probabilidad de que se dé una violación es tan extremadamente reducida que no podemos esperar ver ningún tipo de violación en toda la vida del universo. Sólo con 100 partículas ya nos tendríamos que esperar diez billones de veces lo que ha vivido el universo hasta ahora.


Respecto los principios cero y tercero, sinceramente no sé lo suficiente como para darte una respuesta (ver mensaje de alriga más abajo al respecto).

[skynet]

Re: ¿Los principios de la termo se demuestran?

¿ cómo puede demostrar la mecánica estadística que la materia-energía no se puede crear?....es imposible....la mecánica estadística puede crear un modelo basado en partículas en el que se cumpla el primer principio, y este modelo puede explicar muchos fenómenos con lo que se refuerza nuestra confianza en él, pero no puede demostrarlo....de hecho no sabemos si es cierto....solo sabemos que hasta este momento no hemos sido capaces de detectar la generación de materia-energía, pero pudiera ser que se crease espontáneamente en todo el universo una cantidad muy pequeña de materia de tal modo que no seamos capaces de detectarla, no nos enteraríamos.

respecto al segundo principio....todos los días se producen violaciones de este principio en cantidades microscópicas y durante tiempos muy cortos...de hecho con suficiente tiempo (mas tiempo que la vida del universo) tendríamos una probabilidad razonable de ver violaciones del segundo principio a escala macroscópica, podríamos ver como pasa el calor de un cuerpo frio hacia otro cuerpo caliente....de modo que demostrar el segundo principio va a estar complicado...

[skan]

Re: ¿Los principios de la termo se demuestran?

¿ cómo puede demostrar la mecánica estadística que la materia-energía no se puede crear?....es imposible....la mecánica estadística puede crear un modelo basado en partículas en el que se cumpla el primer principio, y este modelo puede explicar muchos fenómenos con lo que se refuerza nuestra confianza en él, pero no puede demostrarlo....de hecho no sabemos si es cierto....solo sabemos que hasta este momento no hemos sido capaces de detectar la generación de materia-energía, pero pudiera ser que se crease espontáneamente en todo el universo una cantidad muy pequeña de materia de tal modo que no seamos capaces de detectarla, no nos enteraríamos.

respecto al segundo principio....todos los días se producen violaciones de este principio en cantidades microscópicas y durante tiempos muy cortos...de hecho con suficiente tiempo (mas tiempo que la vida del universo) tendríamos una probabilidad razonable de ver violaciones del segundo principio a escala macroscópica, podríamos ver como pasa el calor de un cuerpo frio hacia otro cuerpo caliente....de modo que demostrar el segundo principio va a estar complicado...

Por eso decía que discutiesemos que se demuestra y que no.
No demuestra que se conserve la energía pero a partir de ahí, si supusiésemos que se conserva entonces si que se demuestra el primer principio...
Y me refería al mundo macroscópico. Aunque todos los matices son bienvenidos.

¿ Y qué pasa con el tercer principio ?

[Zorak]

Re: ¿Los principios de la termo se demuestran?

[FONT=sans-serif]Encontre esto en wikipedia sobre el tercer principio:
[/FONT]
[FONT=sans-serif]Con el desarrollo de la mecánica estadística, la tercera ley de la termodinámica (como las otras leyes) pasó de ser una ley fundamental (justificada por experimentos) a una ley derivada (derivada de leyes aún más básicas). La ley básica de la que deriva principalmente es la definición estadístico-mecánica de la entropía de un sistema grande:

[/FONT]

$S-{S}_{0 }={k}_{b }- ln \Omega$

[FONT=sans-serif]donde:[/FONT]

• S es la entropía,
• k_B es la constante de Boltzmann, y
• $\Omega$ es el número de microestados consistentes con la configuración macroscópica.

[FONT=sans-serif]El recuento de estados es desde el estado de referencia del cero absoluto, que corresponde a la entropía de S₀..
[/FONT]
[FONT=sans-serif]El 14 de marzo de 2017, se publicó en la revista Nature la demostración matemática a cargo de los físicos Lluís Masanes y Jonathan Oppenheim, del Departamento de Física y Astronomía del University College de Londres.


LINK: [/FONT]https://es.wikipedia.org/wiki/Tercer_principio_de_la_termodin%C3%A1mica

[Alriga]

Re: ¿Los principios de la termo se demuestran?

[FONT=sans-serif]La ley básica de la que deriva principalmente es la definición estadístico-mecánica de la entropía de un sistema grande:

[/FONT]

$S-{S}_{0 }={k}_{b }- ln \Omega$

[FONT=sans-serif]donde:[/FONT]

• S es la entropía,
• k_B es la constante de Boltzmann, y
• $\Omega$ es el número de microestados consistentes con la configuración macroscópica.

[FONT=sans-serif]
El recuento de estados es desde el estado de referencia del cero absoluto, que corresponde a la entropía de S₀..
[/FONT][FONT=sans-serif]El 14 de marzo de 2017, se publicó en la revista Nature la demostración matemática a cargo de los físicos Lluís Masanes y Jonathan Oppenheim, del Departamento de Física y Astronomía del University College de Londres.

LINK: https://es.wikipedia.org/wiki/Tercer...odin%C3%A1mica[/FONT]

Muy interesante, gracias por la info Zorak, solo un pequeño detalle, hay un error de tecleo en la fórmula, el signo debe ser un producto, no una resta.

$S-{S}_{0 }={k}_{b } \cdot \ln \Omega$

Traduzco el abstract del documento científico de Lluís Masanes y Jonathan Oppenheim, que dice:

"La versión más aceptada de la tercera ley de la termodinámica, el principio de inalcanzabilidad, establece que cualquier proceso no puede alcanzar el cero absoluto de temperatura en un número finito de pasos y dentro de un tiempo finito. Aquí, proporcionamos una demostración del principio que se aplica a procesos de enfriamiento arbitrarios, incluso aquellos que utilizan las leyes de la mecánica cuántica o que suponen una fuente de dimensiones infinitas. Cuantificamos los recursos necesarios para enfriar un sistema a cualquier temperatura y traducimos estos recursos al mínimo tiempo o número de pasos, considerando que la noción de una máquina térmica obedece restricciones similares a las de la computadora universal de Turing. Encontramos que de forma general la temperatura obtenible se puede escalar como una potencia inversa del tiempo de enfriamiento. Nuestros resultados también aclaran la conexión entre dos versiones de la tercera ley (el principio de inalcanzabilidad y el teorema del calor de Nernst) y establece límites máximos sobre la velocidad a la cual la información puede ser borrada"

A derivation (and quantification) of the third law of thermodynamics

Saludos.