Varios Temas: LEYES DE LA TERMODINÁMICA

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.

termodinámica
 

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.

Lcdo. Argenis Serrano 

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