Leyes de la termodinámica

Las leyes de la termodinámica son cuatro leyes o reglas que explican cómo se produce, transfiere y se puede aprovechar la energía a través del calor y el trabajo. Estas reglas son la base para comprender muchos de los fenómenos físicos y químicos que se presentan en la naturaleza.

En termodinámica, la energía se puede transferir de un sistema a otro a través de trabajo, transferencia de calor o masa. Por ejemplo, un horno encendido (sistema) transfiere calor (energía) a una masa de pan, haciéndolo crecer (trabajo).

La termodinámica es la rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con energía, trabajo y calor. La palabra "termodinámica" deriva del griego therme que significa "calor" y dynamis que significa "potencia".

Ley cero de la termodinámica o equilibrio térmico

"Si dos sistemas, A y B, están en equilibrio térmico entre sí, y el sistema A está en equilibrio con un tercer sistema C, luego el sistema B está en equilibrio térmico con el sistema C."

Lo que quiere decir esta ley es que, por ejemplo, si un bloque amarillo y uno azul tienen la misma temperatura, y el bloque amarillo tiene la misma temperatura de un bloque rojo, entonces el bloque azul tendrá la misma temperatura del bloque rojo.

Ley cero de la termodinamica donde se muestra el equilibrio termico entre tres sistemas de bloques

¿Por qué ocurre esto? Esto ocurre por una condición llamada equilibrio térmico, según la cual la temperatura de un cuerpo se mantiene estable, es decir, que no cambia. Luego, cuando dos cuerpos o sistemas tienen la misma temperatura, están en equilibrio térmico.

¿Cómo se puede medir el equilibrio térmico? Con un termómetro: cuando usamos el termómetro para medir la temperatura de un sistema (el cuerpo, una habitación o una olla de agua), esperamos hasta que la temperatura no cambie; en ese momento el termómetro está en equilibrio térmico con el sistema y en realidad, el termómetro está midiendo su propia temperatura.

A pesar de que esta ley fue postulada después de la primera y segunda ley (1935), recibe el nombre "cero" por ser una ley básica en la termodinámica.

Ejemplos de la ley cero de la termodinámica

  • Con una hielera: cuando ponemos un bloque refrigerante, una botella de jugo de naranja y una botella de té helado dentro de una hielera, después de un cierto tiempo todo tendrá la misma temperatura.
  • Con un horno: dentro de un horno a 120ºC se introduce una bandeja con 10 frascos de vidrio para esterilizarlos; luego de un tiempo todos los frascos y la bandeja tendrán 120ºC.
  • Con un vaso dentro del refrigerador: cuando dejamos un vaso de agua dentro del refrigerador por un cierto tiempo, la temperatura del agua no cambia. Si dentro del refrigerador está un frasco de mayonesa, entonces el vaso de agua y el frasco de mayonesa tienen la misma temperatura, están en equilibrio térmico.

Primera ley de la termodinámica: ley de conservación de la energía

"La energía no se crea ni se destruye. El cambio de energía interna de un sistema es igual a la transferencia de calor desde o hacia el entorno y el trabajo realizado por o sobre el sistema."

Lo que quiere decir la primera ley o principio de la termodinámica es que cuando un sistema tiene un aumento de energía no es por que este la creó, o si tiene una disminución de energía no es porque esta se destruyó.

¿Cómo se puede explicar esto? Por ejemplo, un bloque de mantequilla inicialmente frío y compacto, luego de ser batido y con el calor generado por el trabajo, tendrá una mayor energía interna que cuando la mantequilla estaba en bloque y fría.

¿Por qué se produce esto? Debido a la transferencia de energía por el trabajo de batirla y el calor generado. La mantequilla batida, por lo tanto, no creó energía, sino que tuvo que recibir la energía del entorno. Esto significa que la diferencia entre la energía final y la energía inicial de la mantequilla es igual a la suma del trabajo y del calor que recibió la misma.

Primera ley de la termodinamica la energia interna de un bloque de mantequilla aumenta al recibir energia en forma de trabajo y de calorDe esta forma la primera ley de la termodinámica relaciona calor, trabajo y energía:

  • En un sistema que recibe calor y trabajo, su energía interna aumenta.
  • En un sistema que transfiere calor y/o trabajo, disminuye su energía interna.
  • En un sistema aislado, donde no hay intercambio de energía o materia, el cambio de energía interna es igual a cero.

¿Cómo podemos calcular cuanta energía gana o pierde un sistema? Para eso, empleamos la fórmula de primera ley de la termodinámica.

Fórmula de la primera ley de la termodinámica

El cambio o la variación en la energía interna de un sistema puede calcularse por la cantidad de calor y/o trabajo que transfiere o recibe el sistema:

estilo tamaño 16px negrita incremento negrita U negrita igual negrita Q negrita más negrita W fin estilo

En esta expresión:

  • Δ U es el cambio de la energía interna, es decir, la cantidad de energía interna en un estado final menos el estado inicial,
  • Q es la cantidad de calor y
  • W es la cantidad de trabajo.

Esta ley fue formulada por Rudolf Clausius (1822-1888) en 1850.

Ejemplos de la primera ley de la termodinámica

  • Con palomitas de maíz: cuando hacemos palomitas de maíz en el microondas, entra un sobre con las semillas de maíz que ganan energía por transferencia de calor. Al hincharse las palomitas, realizan un trabajo para inflar la bolsa.
  • Con mantequilla derretida: cuando batimos en un bol una barra de mantequilla fría, su energía interna aumenta por la transferencia de calor del ambiente y por el trabajo de batido.
  • Con una botella de gaseosa: cuando se calienta una botella de gaseosa, la mezcla gas-líquido puede romper la botella por el trabajo de expansión.

Segunda ley de la termodinámica: dirección de los procesos termodinámicos

"En los procesos espontáneos, la energía útil siempre disminuye. El rendimiento de una máquina siempre es inferior al 100%".

La segunda ley de la termodinámica explica por qué el calor fluye de los cuerpos calientes a los cuerpos fríos y no al contrario. Una taza de café caliente se enfría porque transfiere su energía en forma de calor al ambiente, que se encuentra a una temperatura menor.

Segunda ley de la termodinamica una taza de cafe caliente transfiere calor al ambiente hasta llegar a la temperatura ambiente

De forma espontánea en la naturaleza, la energía fluye o se transfiere desde el estado de mayor energía al de menor energía. Un litro de gasolina en un vehículo tiene más energía que la que se transforma en movimiento mecánico. El resto de la energía se disipa como aumento de temperatura, liberación de gases, roce de las llantas contra el pavimento, entre otras formas.

En realidad, la segunda ley pone los límites de las formas en que la energía puede transformarse y usarse. El rendimiento de las máquinas nunca podrá ser del 100%, pues siempre están presentes formas de energía que no vamos a poder aprovechar, como en el roce de las piezas o la liberación de calor.

Las bases de la segunda ley de la termodinámica fueron establecidas por Nicolas Carnot (1796-1832).

¿Qué es entropía y qué tiene que ver con la segunda ley?

La segunda ley indica la dirección en que un proceso termodinámico se lleva a cabo. Es aquí donde entra un concepto clave, el de entropía: una medida de cuánto "desorden" presenta un sistema.

La entropía es la forma de expresar cuán reversible o irreversible es un proceso termodinámico. Según la segunda ley de la termodinámica, en la naturaleza se favorecen los procesos donde hay un aumento de la entropía.

Ejemplos de la segunda ley de la termodinámica

  • Con un biberón: si colocamos un biberón frío dentro de un recipiente con agua a 80ºC, el calor se transfiere desde el agua caliente hasta el biberón frío.
  • Con sopa caliente: tazón de sopa caliente se enfría por transferencia de calor al entorno.
  • Con un cubo de hielo: un cubo de hielo a 0ºC en un vaso de agua se derrite a agua a 0ºC.
  • Con tinta: una gota de tinta siempre se esparcirá en un vaso de agua.
  • Con mantequilla derretida: una mantequilla derretida nunca se solidificará, a menos que se introduzca en un refrigerador.

Tercera ley de la termodinámica: cero absoluto

"Un sistema que alcanza el cero absoluto, todos los procesos cesan y la entropía se aproxima al valor mínimo".

tercera ley de la termodinamica nebulosa de Boomerang registra la región más fría del Universo
En la nebulosa de Boomerang se registra la región más fría del Universo a 1 grado sobre el cero absoluto (1 K).

La tercera ley de la termodinámica establece cual es el límite más bajo donde puede haber algún proceso, es decir, donde la transferencia de energía de cualquier tipo es nula y por tanto, su nivel de desorden o entropía es mínimo. Este límite se conoce como el cero absoluto.

¿Qué es el cero absoluto? Es aquella temperatura por debajo de la cual ya no existe una medida menor, es decir, es lo más frío que una persona se puede imaginar. En 1848 William Thompson Lord Kelvin describió un valor para el cero absoluto de -273,15 ºC. Por eso, el cero absoluto es 0 K.

El físico y químico alemán Walther Nernst (1864-1941) propuso en 1912 esta ley.

Ejemplo de la tercera ley de la termodinámica

  • Nebulosa de Boomerang: hasta ahora sólo se ha podido determinar en el Universo a la nebulosa de Boomerang como la región más fría, con temperaturas de apenas 1 kelvin (1K= -272,15ºC).

Vea también Energía.

Referencias

Rooney, A. (2013). La historia de la física. Grupo Editorial Tomo. México.

Sears, F., Zemansky, M., Young, H,D., Freedman, R.A. (2009) Física Universitaria volumen 1, 12a edición. Pearson Educación, México.

Ventura, G., Fiolhais, M., Fiolhais, C. (2015) Novo 10F Física e Química A 10 ano. Texto Editores. Lisboa.