La termodinámica es la disciplina que estudia las transformaciones de la energía, reversibles e irreversibles, en forma de calor y trabajo de los sistemas microscópicos.
¿Qué son las leyes de la termodinámica?
Cuando hablamos de las leyes de la termodinámica o los principios de la termodinámica, nos referimos a las formulaciones más elementales de esta rama de la física, interesada como su nombre lo indica (del griego thermos, “calor”, y dynamos, “poder”, “fuerza”) en las dinámicas del calor y de otras formas de energía conocida.
Estas leyes o principios de la termodinámica son un conjunto de fórmulas y ecuaciones que describen el comportamiento de los llamados sistemas termodinámicos, o sea, de una porción del universo aislada teóricamente para su estudio y comprensión, empleando para ello sus cantidades físicas fundamentales: temperatura, energía y entropía.
Existen cuatro leyes de la termodinámica, enumeradas del cero hasta el tres, y sirven para comprender las leyes físicas del universo, así como la imposibilidad de ciertos fenómenos como el del movimiento perpetuo.
Origen de las leyes de la termodinámica
Los cuatro principios de la termodinámica poseen orígenes distintos, y algunos fueron formulados a partir de los anteriores. El primero en establecerse, de hecho, fue el segundo, obra del físico e ingeniero francés Nicolás Léonard Sadi Carnot en 1824.
Sin embargo, en 1860 este principio volvería a formularse por Rudolf Clausius y William Thompson, añadiendo entonces la que hoy llamamos la Primera Ley de la Termodinámica. Más adelante aparecería la tercera, más moderna, gracias a los estudios de Walther Nernst entre 1906 y 1912, por lo que se le conoce como el postulado de Nernst.
Finalmente, la llamada “ley cero” aparecería en 1930, propuesta por Guggenheim y Fowler. Cabe decir que no en todos los ámbitos es reconocida como una verdadera ley.
Primera Ley de la Termodinámica
La energía no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse.
El título de esta ley es “Ley de la Conservación de la Energía”, pues dicta que, en cualquier sistema físico aislado de su entorno, la cantidad total de energía será siempre la misma, a pesar de que pueda transformarse de una forma de energía a otras diferentes. O dicho en otras palabras: “La energía no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse”.
De ese modo, al suministrar una cantidad determinada de calor (Q) a un sistema físico, su cantidad total de energía podrá calcularse hallando la diferencia del incremento de su energía interna (ΔU) más el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores. O expresado en una fórmula: Q = ΔU + W, o también: ΔU = Q – W, lo cual significa que la diferencia entre la energía del sistema y el trabajo efectuado será siempre desprendida del sistema como energía calórica (calor).
Para ejemplificar esta ley, imaginemos el motor de un avión. Se trata de un sistema termodinámico al cual ingresa combustible que, reaccionando con el oxígeno del aire y la chispa que genera la combustión, libera una cantidad importante de calor y de trabajo. Este último es, precisamente, el movimiento que empuja al avión hacia adelante. Entonces: si pudiéramos medir la cantidad de combustible consumido, la cantidad de trabajo (movimiento) y la cantidad de calor liberado, podríamos calcular la energía total del sistema y concluir que la energía en el motor se mantuvo constante durante el vuelo: ni se creó ni se destruyó energía, sino que se la hizo cambiar de energía química a energía calórica y energía cinética (movimiento, o sea, trabajo).
Segunda Ley de la Termodinámica
Este segundo principio, llamado a veces Ley de la Entropía, puede resumirse en que “la cantidad de entropía en el universo tiende a incrementarse en el tiempo”. Eso significa que el grado de desorden de los sistemas aumenta una vez que hayan alcanzado el punto de equilibrio, por lo que dado el tiempo suficiente, todos los sistemas tenderán eventualmente al desequilibrio.
Esta ley explica la irreversibilidad de los fenómenos físicos, o sea, el hecho de que una vez quemado un papel, no pueda hacérselo volver a su forma original. Y además, introduce la función de estado entropía (representada como S), que en el caso de los sistemas físicos representa el grado de desorden, es decir, su inevitable pérdida de energía. Por ende, la entropía se vincula al grado de energía no utilizable por un sistema, que se pierde hacia el medio ambiente. Sobre todo si se trata de un cambio de un estado de equilibrio A a un estado de equilibrio B: este último tendrá más alto grado de entropía que el primero.
La formulación de esta ley establece que el cambio en la entropía (dS) será siempre igual o mayor a la transferencia de calor (Q), dividido por la temperatura (T) del sistema. O sea, que dS ≥ δQ / T.
Y para entender esto con un ejemplo, basta con quemar una cantidad determinada de materia y luego juntar las cenizas resultantes. Al pesarlas, comprobaremos que es menos materia que en su estado inicial. ¿Por qué? Porque parte de la materia se convirtió en gases irrecuperables que tienden a la dispersión y el desorden, o sea, que se extravían en el proceso. Por eso no puede revertirse esta reacción.
Tercera Ley de la Termodinámica
Este principio atañe a la temperatura y el enfriamiento, planteando que la entropía de un sistema que sea llevado al cero absoluto, será una constante definida. Dicho en otras palabras:
- Al llegar al cero absoluto (0 K), los procesos de los sistemas físicos se detienen.
- Al llegar al cero absoluto (0 K), la entropía poseerá un valor mínimo constante.
Resulta difícil alcanzar cotidianamente el llamado cero absoluto (-273,15 °C), como para dar un ejemplo sencillo de esta ley. Pero podemos equipararla a lo que ocurre en nuestro congelador: los alimentos que depositemos allí se enfriarán tanto y a temperaturas tan bajas, que se enlentecerán o incluso detendrán los procesos bioquímicos en su interior. Esta es la razón de que se retarde su descomposición y dure mucho más tiempo apta para su consumo.
Ley “cero” de la Termodinámica
La «ley cero» se expresa lógicamente así: si A = C y B = C, entonces A= B.
La “ley cero” se conoce con ese nombre porque aunque fue la última en postularse, establece preceptos básicos y fundamentales respecto de las otras tres. Pero en realidad su nombre es Ley del Equilibrio Térmico. Este principio dicta que: “Si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, deben estar también en equilibrio térmico entre sí”. Es algo que puede expresarse lógicamente del siguiente modo: si A = C y B = C, entonces A= B.
Dicho más simplemente, esta ley nos permite establecer el principio de la temperatura, a partir de la comparación de la energía térmica de dos cuerpos distintos: si se encuentran en equilibrio térmico entre sí, entonces tendrán necesariamente la misma temperatura. Y, por ende, si ambos se hallan en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces lo estarán también entre sí.
Los ejemplos cotidianos de esta ley son fáciles de hallar. Cuando nos metemos al agua fría o caliente, notaremos la diferencia de temperatura sólo un tiempo, ya que nuestro cuerpo luego entrará en equilibrio térmico con el agua y no notaremos más la diferencia. También ocurre cuando entramos a una habitación calurosa o fría: notaremos la temperatura inicialmente, pero luego dejaremos de percibir la diferencia pues entraremos en equilibrio térmico con ella.
Fuente: https://concepto.de/leyes-de-la-termodinamica/#ixzz6HqjnfPBF
Fuente: https://concepto.de/leyes-de-la-termodinamica/#ixzz6HqjQQw2b
Actividad:
1. Desarrolla el enunciado que establece las tres leyes de la termodinámica, (Ley Cero, 1er. Ley y 2da. Ley de la termodinámica)
2. ¿Qué se entiende por equilibrio térmico y que ley se aplica?
3. ¿Qué relación existe entre las leyes de la termodinámica y los procesos biológicos?
Nota: Recuerda utilizar el libro de texto y realizar todas las actividades del mismo.
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