¿Por qué los superconductores, que tienen una resistencia eléctrica nula, no violan la segunda ley de la termodinámica?

Question

Aquí hay un montón de preguntas sobre si los superconductores tienen realmente una resistencia exactamente nula y respuestas que dicen que sí. Mi pregunta es cómo esto no viola la segunda ley de la termodinámica, que, si he entendido bien, implica que siempre habrá alguna pérdida de energía en forma de calor en cualquier sistema que convierta la energía en una forma útil. O, en otras palabras, es fundamentalmente imposible convertir la energía en trabajo con una eficiencia del 100%.

Pero, si no hay resistencia cuando fluye una corriente a través de un superconductor, ¿no significa eso que no hay pérdida de energía en forma de calor? Eso parecería implicar que estamos añadiendo energía a un sistema (poniendo en marcha una corriente) sin aumentar la entropía, lo que debería ser imposible: más energía significa un mayor número de microestados posibles del sistema, lo que significa que la relación entre microestados y macroestados debería aumentar y, por tanto, aumentar la entropía. Pero no veo cómo puede ser así si no hay resistencia.

Obviamente hay algo mal en mi razonamiento, pero ¿qué? Por las respuestas que he visto a preguntas similares, la gente dice que la energía necesaria para enfriar el sistema tiene en cuenta la segunda ley, pero si fuera así, los superconductores a temperatura ambiente serían imposibles, incluso en principio. ¿Qué me estoy perdiendo? ¿Existe algún otro mecanismo a través del cual la energía se convierte en calor? Y si es así, ¿para qué sirven los superconductores, si de todas formas se pierde energía?

Answer 1

En segunda ley de la termodinámica sólo dice que ningún proceso puede disminuir la entropía del universo (es decir, destruir la entropía). Una opinión equivalente es que ningún proceso puede crear exergía. Desde el punto de vista del campo, la divergencia de la entropía es siempre positiva.

Aunque los razonamientos aproximados como los que expones son formas de empezar, los candidatos reales a una violación de la segunda ley deben equivaler a la destrucción de entropía o a la creación de exergía. Si usted cree que ha encontrado un candidato para una violación, usted debe ser capaz de indicar dónde ocurrió (la destrucción de entropía). No estoy diciendo tonterías, una violación de la segunda ley debería acompañar a una máquina teórica de movimiento perpetuo de tipo dos.

A mi entender, la corriente que fluye indefinidamente en un hilo superconductor no destruye ninguna entropía. Esto ni siquiera tiene en cuenta el hecho de que el "superconductor" todavía puede tener una resistencia finita, y así generar calor lentamente y llegar a un estado de corriente cero.

Los procesos idealizados, como los superconductores reales, los cojinetes sin fricción para volantes de inercia, las baterías sin resistencia, los motores y frigoríficos que transfieren calor con una diferencia de temperatura cero, etc., no son violaciones de la segunda ley. Son la frontera entre los procesos posibles y los imposibles. En efecto, todos los procesos reales son irreversibles y los procesos "reversibles" son la frontera entre los procesos reales irreversibles y los procesos imposibles que violan la segunda ley. Aquí utilizo el término "frontera" de forma bastante literal, en referencia al espacio de fases. También hay todo tipo de procesos en el espacio de fases que violan la primera ley, pero que sean imposibles no es demasiado controvertido para que la gente lo entienda.

Para responder a tu ejemplo, un conductor de un solo material que puede estar en equilibrio térmico con su entorno e iniciar una corriente que fluye en sí mismo volviéndose más frío que su entorno es una violación de la segunda ley. Puedes ver que esto es muy diferente a un superconductor. La forma en que he dicho esto es importante, porque los termopares no violan la segunda ley. Observe también que este ejemplo es una máquina de movimiento perpetuo de tipo teórico dos. Un conductor de este tipo podría utilizar la energía del entorno para hacer funcionar un motor eternamente en un sistema cerrado. Por razones obvias, los dispositivos de tipo termopar no pueden utilizarse para construir una PPM.

Tenga en cuenta que los cuerpos que giran en el espacio "giran eternamente" y esto no es una violación de la segunda ley (utilice este ejemplo si no le gusta el volante de inercia sin fricción que alguien dijo en otro lugar). Un cuerpo astronómico remoto girará para siempre, no se crea energía mecánica por ello y no hay violación de la segunda ley. En realidad, puede que no gire eternamente debido a las ondas gravitatorias, etc.