La Termodinámica es la rama de la física que estudia la
relación entre el calor, la fuerza aplicada y la transferencia de energía. Los
procesos termodinámicos están determinados por tres leyes básicas que explican
cómo se conserva, se transfiere y se transforma la energía en diferentes
sistemas. Tiene aplicaciones en áreas como la ingeniería, la
bioquímica, la cosmología y la genética.
Descubrimiento de la Termodinámica
Los orígenes de la termodinámica se remontan al siglo XVII,
cuando se empezaron a estudiar los fenómenos relacionados con el vacío, el
calor y el trabajo.
Algunos de los pioneros de esta ciencia fueron Otto von Guericke, Robert Boyle, Denis
Papin, Thomas Savery y Thomas Newcomen, quienes construyeron y diseñaron
las primeras bombas de vacío y máquinas de vapor. Estos inventos impulsaron el
desarrollo de la industria y la Revolución
Industrial.
La termodinámica se consolidó como una disciplina científica
en el siglo XIX, con el aporte de grandes físicos como Sadi Carnot, Lord Kelvin, James Prescott Joule, Rudolf Clausius y
Willard Gibbs, que establecieron las leyes, los conceptos y las ecuaciones
fundamentales de la termodinámica, como la eficiencia, temperatura, energía, entropía
y el equilibrio. Estos principios permitieron explicar y predecir el
comportamiento de los sistemas termodinámicos y sus transformaciones.
Se ha aplicado a diversos campos de la ciencia y la
tecnología, como la ingeniería, química, biología, cosmología y la información.
También ha tenido una influencia en la filosofía, sociología y economía, al
plantear cuestiones sobre el orden, el caos, la irreversibilidad y la evolución
de los sistemas naturales y sociales. Se convirtió pues en una de las ramas más
importantes y universales de la física, que aún sigue siendo objeto de
investigación y desarrollo.
Leyes de la Termodinámica
Principio de conservación de la energía
La primera ley de la termodinámica se aplica a los sistemas
termodinámicos, es decir, a los sistemas que intercambian calor y trabajo con
el entorno. Esta ley establece que el cambio en la energía interna de un
sistema, que es la suma de las energías de sus partículas, es igual al calor
neto que recibe más el trabajo neto que realiza. En forma de ecuación, se puede
escribir como:
ΔU=Q+W
Donde:
ΔU es el cambio en la energía interna
del sistema (en julios).
Q es el calor neto que recibe el
sistema (en julios). Es positivo si el sistema gana calor y negativo si lo
pierde.
W es el trabajo neto que realiza el
sistema (en julios). Es positivo si el sistema se expande y negativo si se
comprime.
La primera ley de la termodinámica se puede aplicar a
diferentes procesos termodinámicos, como los isobáricos, isocóricos,
isotérmicos y adiabáticos, que se caracterizan por mantener constante alguna
variable del sistema, como la presión, el volumen, la temperatura o el calor.
Para cada proceso, se pueden obtener expresiones específicas
para el calor y el trabajo en función de otras variables, como la masa, el
calor específico, el número de moles o la constante de los gases.
Principio que establece las limitaciones y la dirección de los procesos termodinámicos (Entropía)
La segunda ley de la termodinámica trata de los procesos que
involucran transferencia de calor y trabajo. Esta ley se puede expresar de
diferentes formas, pero una de las más comunes es la siguiente:
No es posible un
proceso cuyo único resultado sea la transferencia de calor de un cuerpo más
frío a un cuerpo más caliente.
Esto significa que el calor no puede fluir espontáneamente de
un sistema de menor temperatura a otro de mayor temperatura, sino que se
necesita algún tipo de trabajo o dispositivo externo para lograrlo.
Por ejemplo, un refrigerador es una máquina que extrae calor
de un cuerpo frío (el interior del refrigerador) y lo transfiere a un cuerpo
más caliente (el ambiente), pero para hacerlo necesita consumir energía
eléctrica.
La segunda ley de la termodinámica también implica que existe
una magnitud llamada entropía, que
mide el grado de desorden o aleatoriedad de un sistema. La entropía de un
sistema aislado nunca disminuye, sino que aumenta o se mantiene constante. Esto
implica que los procesos termodinámicos son irreversibles, es decir, que no
pueden volver a su estado inicial sin alterar el entorno.
La segunda ley de la termodinámica tiene muchas aplicaciones
e implicaciones en la ciencia, tecnología
y filosofía. Por ejemplo, determina el límite máximo de eficiencia de las
máquinas térmicas, que son dispositivos que convierten calor en trabajo, como
los motores de combustión o las centrales eléctricas.
También explica fenómenos como la difusión, la mezcla, la
disipación, la degradación y la evolución de los sistemas naturales y
artificiales.
Principio que establece las condiciones y los límites de los procesos termodinámicos a muy bajas temperaturas.
La tercera ley de la termodinámica se puede expresar de
diferentes formas, pero una de las más comunes es la siguiente:
La entropía de un
sistema cerrado en equilibrio termodinámico se aproxima a un valor constante
cuando la temperatura se acerca al cero absoluto.
Esto significa que el desorden o la aleatoriedad de un
sistema se reduce al mínimo cuando su temperatura es cercana a -273.15°C o 0 K,
que es la temperatura teórica más baja posible.
A esta temperatura, el movimiento térmico de los átomos y las
moléculas se detiene y el sistema alcanza un estado de orden perfecto. Por
ejemplo, una sustancia cristalina pura, como el hielo o el diamante, tiene una
entropía de cero en el cero absoluto, porque sus partículas están ordenadas de
una sola manera.
La tercera ley de la termodinámica también implica que es
imposible alcanzar el cero absoluto en un número finito de pasos, porque se
necesita un trabajo infinito para extraer todo el calor de un sistema. Por lo
tanto, el cero absoluto es un límite inalcanzable para la temperatura y la
entropía.
Esta fue desarrollada por el químico alemán Walther Nernst entre 1906 y 1912, y
también se conoce como el teorema o el postulado
de Nernst. Esta ley tiene muchas aplicaciones e implicaciones en la ciencia
y la tecnología, especialmente en el campo de la criogenia, que es el estudio
de los fenómenos a muy bajas temperaturas.
Cuarta ley de la termodinámica
No es un principio aceptado por la mayoría de los físicos,
sino una propuesta del economista Nicholas
Georgescu-Roegen, que afirma que la materia disponible se degrada de forma
continua e irreprensiblemente en materia no disponible de forma práctica.
Es decir, que el reciclaje nunca puede ser completo y que
siempre hay una pérdida de materia útil. Esta idea tiene implicaciones en la
economía ecológica y el decrecimiento, ya que plantea que los recursos
naturales son finitos y que el crecimiento económico sostenido es imposible.
