Significado de termodinámica (cuatro leyes) Definición, ley cero, primera, segunda y tercera
Licenciada en Física
Definición formal
La termodinámica es la responsable por abordar los procesos de intercambio de energía que tienen lugar entre los sistemas y el entorno a través de la frontera que los separa. Un sistema termodinámico es simplemente la porción del universo que es objeto de interés, puede ser un gas encerrado dentro de un recipiente, un ser vivo o incluso un avión con sus ocupantes.
Los sistemas termodinámicos son muy diversos. Los intercambios energéticos que tienen lugar entre ellos, con los consiguientes cambios de temperatura, pueden aprovecharse para hacer trabajo. El tipo de materia que compone el sistema no es relevante, ya que la termodinámica proporciona la descripción macroscópica del sistema en términos de magnitudes medibles en el laboratorio: presión, volumen y temperatura, por nombrar algunas de las más importantes.
Esta ciencia se rige por cuatro leyes o principios fundamentales que se aplican a todo tipo de sistema, describiendo su comportamiento y los procesos que son imposibles en ellos. A lo largo de este texto se analizan las características de cada ley.
Ley Cero o principio cero de la Termodinámica
La ley Cero se puede enunciar: Sean dos objetos A y B, cada uno de ellos en equilibrio termodinámico con un tercer cuerpo C por separado. Entonces se concluye que A y B también se ubican en equilibrio térmico entre sí.
Para ilustrarlo con un ejemplo, se puede suponer que A y B son dos tazas de café calientes que no están en contacto entre sí, y el cuerpo C es un termómetro. Este se pone en contacto con la taza A hasta lograr el equilibrio térmico, en cuyo caso el termómetro indica la temperatura de A. Después, C se pone en contacto con la taza B y se repite el procedimiento anterior. Si luego de esto las lecturas del termómetro son iguales, se concluye que las tazas A y B están en equilibrio térmico entre sí, aunque no estén en contacto la una con la otra.
Las lecturas del termómetro no son otra cosa son las respectivas temperaturas del café, y gracias a la ley cero, la temperatura se puede interpretar como aquella propiedad del sistema que señala si este se encuentra o no en equilibrio con otro sistema.
Primera Ley de la Termodinámica
La primera ley consiste en una generalización del ya conocido principio de la conservación de la energía para un sistema cerrado, es decir, uno cuyos componentes se mantienen siempre en su interior, aunque es capaz de intercambiar energía con el entorno. Se puede expresar así: La variación en la energía interna de un sistema cerrado equivale a la diferencia entre el calor transferido al sistema y el trabajo efectuado por el mismo.
La energía interna del sistema consiste de varios aportes:
• El movimiento de vibración de los átomos y las moléculas.
• La energía de los enlaces químicos.
• Y la energía del núcleo atómico, que se mantiene en cohesión gracias a las interacciones nucleares fuerte y débil.
Sea ΔU la variación en la energía del sistema cuando va del estado 1 al estado 2, Q el calor transferido a él por algún medio y W el trabajo que el sistema mismo realiza. Con esto la primera ley se expresa matemáticamente así:
ΔU = U2 – U1 = Q – W
Se advierte de inmediato que si:
• Q > 0: el sistema absorbe calor
• W > 0: el sistema hace trabajo
• ΔU > 0: la energía interna del sistema aumenta.
Nótese que lo importante aquí es la variación en la energía interna, no el valor absoluto de esta, además, es conveniente recalcar que la energía interna no depende del movimiento del sistema ni de su posición relativa a otros sistemas.
Segunda ley de la Termodinámica
Supóngase un dispositivo capaz de transformar energía térmica en movimiento (energía mecánica) o energía eléctrica. Este proceso se puede llevar a cabo disponiendo de un mecanismo que extraiga calor de una fuente a cierta temperatura, lleve a cabo un cierto trabajo y además transfiera el excedente de calor a otro reservorio a menor temperatura que la fuente. A una máquina que realiza este proceso se la conoce como máquina térmica.
En relación a lo descrito, la segunda ley de la termodinámica afirma que: No es posible crear una máquina térmica que convierta íntegramente la cantidad de calor que absorbe y la transforme completamente en trabajo mecánico.
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Este enunciado se conoce como enunciado de Kelvin-Planck y con él, la segunda ley de la termodinámica asegura que ninguna máquina tiene eficiencia del 100%. Otra manera de expresarlo, esta vez en términos de la refrigeración, consiste en decir que:
No existe una máquina térmica que únicamente transfiera energía térmica de un objeto más frío a otro más caliente.
La segunda ley de la termodinámica expresada de esta forma corresponde al enunciado de Clausius. Dicho en otras palabras, la energía térmica no fluye espontáneamente desde un cuerpo más frío a otro más caliente, por lo tanto un refrigerador no enfría los alimentos a menos que se conecte a la toma eléctrica.
Esta ley también puede formularse en términos de la entropía, una magnitud que mide el grado de desorden del sistema: La entropía de un sistema aislado es constante, con tal de que el proceso que lleve a cabo sea reversible. Y si el proceso es irreversible, entonces la entropía aumenta.
Tercera ley de la Termodinámica
Se puede expresar de esta manera: La entropía o grado de desorden de un sistema tiende a ser constante, cuanto más se aproxime su temperatura al cero absoluto (0 K).
Nótese que esto no significa que la entropía del sistema sea 0 necesariamente, sino que tiende a un valor constante cuando su temperatura se acerque al cero absoluto. En este estado, las partículas que componen el sistema estarían totalmente inmóviles, pero cabe destacar que el cero absoluto aún no se alcanza por ahora, aunque en laboratorios especializados en bajas temperaturas sí han conseguido acercarse bastante.
Cuando la temperatura del sistema se aproxima al cero absoluto, el comportamiento de la materia cambia notablemente. El resultado es materia en estados que normalmente no se encuentran en la Tierra, como el condensado de Bose-Einstein y el condensado fermiónico.
Trabajo publicado en: Oct., 2020.
