Te explicamos cuáles son las leyes de la termodinámica, cuál es el origen de estos principios y las principales características de cada uno.

Leyes de la termodinámica
Las leyes de la termodinámica se utilizan para entender las leyes físicas del universo.

¿Cuáles son las leyes de la termodinámica?

Las leyes de la termodinámica (o los principios de la termodinámica) describen el comportamiento de tres cantidades físicas fundamentales, temperatura, energía y entropía, que caracterizan los sistemas termodinámicos. El término «termodinámica» proviene del griego termo, que significa «calor», y Dínamos, que significa «fuerza».

Matemáticamente, estos principios se describen mediante un conjunto de ecuaciones que explicar el comportamiento de los sistemas termodinámicos, definido como cualquier objeto de estudio (desde una molécula o un ser humano hasta la atmósfera o agua hirviendo en una cacerola).

Hay cuatro leyes de la termodinámica y son cruciales para comprender las leyes físicas del universo y la imposibilidad de ciertos fenómenos como el movimiento perpetuo.

Vea también: Principio de la conservación de energía

Origen de las leyes de la termodinámica

Los cuatro principios de la termodinámica tienen orígenes diferentes, y algunos han sido formulados a partir de los anteriores. El primero en establecerse fue, de hecho, el segundo, el trabajo del físico e ingeniero francés Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824.

Sin embargo, en 1860, este principio fue formulado de nuevo por Rudolf Clausius y William Thompson, añadiendo lo que ahora llamamos la primera ley de la termodinámica. Posteriormente, el tercero, también conocido como el "postulado de Nerst", apareció porque nació de los estudios de Walther Nernst entre 1906 y 1912.

finalmente la llamada "ley cero" apareció en 1930, propuesto por Guggenheim y Fowler. Hay que decir que no es en todos los ámbitos que se reconoce como una verdadera ley.

Primera ley de la termodinámica

Primera ley de la termodinámica
La energía no puede ser creada o destruida, sólo transformada.

La primera ley se llama la "Ley de Conservación de Energía" porque estipula que en cualquier sistema físico aislado de su entorno, la cantidad total de energía siempre será la misma, aunque se puede transformar de una forma de energía a otra. En otras palabras, la energía no puede ser creada o destruida, sólo transformada.

Así, al suministrar una cierta cantidad de calor (Q) a un sistema físico, su cantidad total de energía se puede calcular como el calor suministrado menos el trabajo (W) realizado por el sistema en sus alrededores. Expresado en una fórmula: ΔU = Q – W.

Como ejemplo de esta ley, imaginemos el motor de un avión. Se trata de un sistema termodinámico compuesto por combustible que, al reaccionar químicamente durante el proceso de combustión, libera calor y realiza trabajos (lo que hace que la aeronave se mueva). Entonces: si pudiéramos medir la cantidad de trabajo realizado y el calor liberado, podríamos calcular la energía total del sistema y concluir que la energía del motor se mantuvo constante durante el vuelo: ni la energía fue creada ni destruida, sino que pasó de la energía química a la energía calórica y la energía cinética (movimiento , es decir, otros, trabajo).

Segunda ley de la termodinámica

Segunda ley de la termodinámica
Con tiempo suficiente, todos los sistemas tenderán eventualmente al desequilibrio.

La segunda ley, también llamada la "ley de la entropía", se puede resumir como la cantidad de entropía en el universo tiende a aumentar con el tiempo. Esto significa que el grado de desorden de los sistemas aumenta hasta alcanzar un punto de equilibrio, que es el estado de mayor desorden del sistema.

Esta ley introduce un concepto fundamental en física: el concepto de entropía (representado por la letra S), que representa en el caso de los sistemas físicos el grado de desorden. Resulta que en cada proceso físico donde hay una transformación de energíaes decir, una cierta cantidad de energía no es utilizable, es decir, no puede realizar el trabajo. Si no se puede realizar el trabajo,en los casos en que esta energía está caliente. Este calor que libera el sistema, lo que hace es aumentar la huella del sistema, su entropía. La entropía es una medida del desorden de un sistema.

La redacción de esta ley estipula que el cambio en la entropía (dS) siempre será igual o mayor que la transferencia de calor (dQ), dividido por la temperatura (T) del sistema. Eso es para otros, que: dS ≥ dQ/T.

Para entender esto por un ejemplo, es suficiente quemar una cierta cantidad de materia, y luego recoger las cenizas resultantes. Al pesarlos, veremos que es menos materia que en su estado inicial: parte de la materia se ha convertido en calor en forma de gases que no pueden realizar el trabajo en el sistema y que contribuyen a su desorden.

Tercera Ley de Termodinámica

Tercera Ley de Termodinámica
Al llegar al cero absoluto, los procesos de los sistemas físicos se detienen.

La tercera ley dispone que la entropía de un sistema llevado a cero absoluto, será una constante definida. En otras palabras:

  • Al llegar al cero absoluto (cero en unidades Kelvin), los procesos de los sistemas físicos se detienen.
  • Al alcanzar el cero absoluto (cero en unidades Kelvin), la entropía tiene un valor mínimo constante.

Es difícil lograr lo que se llama cero absoluto a diario (-273,15 °C), pero podemos pensar en esta ley analizando lo que sucede en un congelador: los alimentos que depositamos allí estarán tan enfriados que ralentizarán o incluso detendrán los procesos bioquímicos en su interior. Por eso su descomposición se retrasa y su consumo será mucho más largo.

Ley cero de la termodinámica

Equilibrio térmico
La " ley cero " se expresa lógicamente de la siguiente manera: si A = C y B = C, entonces A = B.

La "ley cero" se conoce con este nombre, aunque fue la última en ejecutarse. También conocido como Ley de Equilibrio Térmico, este principio establece que: " Si dos sistemas están en equilibrio térmico independientemente con un tercer sistema, también deben estar en equilibrio térmico el uno del otro ". Se puede expresar lógicamente de la siguiente manera: si A = C y B = C, entonces A = B.

Esta ley nos permite comparar la energía térmica de tres cuerpos diferentes A, B y C. Si el cuerpo A está en equilibrio térmico con el cuerpo C (tienen la misma temperatura) y B también tiene la misma temperatura que C, entonces A y B tienen la misma temperatura.

Otra forma de enunciar este principio es argumentar que al poner dos cuerpos en contacto a diferentes temperaturas, intercambian calor hasta que sus temperaturas son iguales.

Los ejemplos cotidianos de esta ley son fáciles de encontrar. Cuando entremos en el agua fría o caliente, solo notaremos la diferencia de temperatura durante los primeros minutos. ya que nuestro cuerpo entrará entonces en equilibrio térmico con el agua y ya no notaremos la diferencia. Lo mismo ocurre cuando entramos en una cámara caliente o fría: notaremos la temperatura al principio, pero luego dejaremos de percibir la diferencia a medida que entremos en el equilibrio térmico con ella.

Referencias: