Objetivo: Conocer las leyes de la termodinámica
Las tres leyes de la termodinámica
Termodinámica es la disciplina de la física se encarga de estudiar los fenómenos que ocurren en los sistemas, desde un punto de vista macroscópico, en función de propiedades físicas observables y medibles, como la temperatura o la presión. La termodinámica clásica se limita al estudio de los estados de equilibrio y a las transformaciones que puedan representarse como una transición continua entre estados de equilibrio.
Por tanto, su campo de estudio cubre todos los fenómenos inherentes a las transformaciones energéticas y sus efectos sobre los estados de la materia. La termodinámica se dedica a estudiar y definir todos aquellos parámetros que afectan a nuestros sistemas de estudio como el calor, capacidades caloríficas, módulos de compresión de los materiales, trabajo, volúmenes…
Se suele decir que hay tres leyes de la termodinámica, aunque existe una cuarta, la llamada ley “cero” de la termodinámica. Esta ley cero nos dice que, si colocamos dos sistemas A y B en contacto prolongado manteniendo el resto del sistema global aislado A Y B acaban llegando a un equilibrio térmico, es decir, la temperatura de A y la temperatura de B se igualan. Además, si colocamos un tercer sistema C entre A y B, es decir A y B están en contacto directo con C pero no entre ambos directamente, al cabo de un tiempo suficientemente largo, las temperaturas de A, B y C se igualan.
Parece muy simple esta ley, pero no es tan sencilla como parece. Para empezar, definir lo que es la temperatura ya es una cosa muy complicada. Hizo falta bastantes años, concretamente hasta mitad del siglo XX, solo para decidir cuál era la forma correcta de medirla (varios tipos de termómetros y muchas escalas de temperatura después), y también de cómo hacerlo sin modificar el dato inicial del sistema que se quiere medir. Porque, precisamente por el principio cero, sabemos que desde que pongamos el sistema en contacto con el termómetro en cuestión intercambiará parte de su temperatura con el mismo, intentando llegar al equilibrio térmico. Y por mínimo que este intercambio sea, ya no estaremos midiendo exactamente el valor real de la temperatura del sistema que estamos estudiando.
La primera ley de la termodinámica se refiere a la cantidad total de energía en el universo, y en particular declara que esta cantidad total no cambia. Dicho de otra manera, la Primera ley de la termodinámica dice que la energía no se puede crear ni destruir, solo puede cambiarse o transferirse de un objeto a otro.
Esta ley puede parecer algo abstracta, pero si empezamos a ver los ejemplos, encontraremos que las transferencias y transformaciones de energía ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo. Por ejemplo:
Los focos transforman energía eléctrica en energía luminosa (energía radiante).
Una bola de billar golpea a otra, lo que transfiere energía cinética y hace que la segunda bola se mueva.
Las plantas convierten la energía solar (energía radiante) en energía química almacenada en moléculas orgánicas.
Tú estás transformando la energía química de tu última comida en energía cinética cuando caminas, respiras y mueves tu dedo para desplazarte hacia arriba y hacia abajo por esta página.
Lo importante es que ninguna de estas transferencias es completamente eficiente. En cambio, en cada situación, parte de la energía inicial se libera como energía térmica. Cuando la energía térmica se mueve de un objeto a otro, recibe el nombre más familiar de calor. Es obvio que los focos de luz incandescente generan calor además de luz, pero las bolas de billar en movimiento también lo hacen (gracias a la fricción), como lo hacen las transferencias de energía química ineficientes del metabolismo vegetal y animal.
Si la energía nunca se crea ni se destruye, eso significa que la energía puede simplemente ser reciclada una y otra vez, ¿cierto?
Pues... sí y no.
El segundo principio de la termodinámica establece que, si bien todo el trabajo mecánico puede transformarse en calor, no todo el calor puede transformarse en trabajo mecánico.
La energía no puede ser creada ni destruida, pero puede cambiar de formas más útiles a formas menos útiles. La verdad es que, en cada transferencia o transformación de energía en el mundo real, cierta cantidad de energía se convierte en una forma que es inutilizable (incapaz de realizar trabajo). En la mayoría de los casos, esta energía inutilizable adopta la forma de calor.
Aunque de hecho el calor puede realizar trabajo bajo las circunstancias correctas, nunca se puede convertir en otros tipos de energía (que realicen trabajo) con una eficiencia del 100%. Por lo que cada vez que ocurre una transferencia de energía, cierta cantidad de energía útil pasa de la categoría de energía útil a la inútil.
Si el calor no realiza trabajo, entonces ¿qué hace exactamente? El calor que no realiza trabajo aumenta la aleatoriedad (desorden) del universo.
En el área de termodinámica, la entropía es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para realizar trabajo y que, en consecuencia, se pierde. Así, en un sistema aislado, siempre una pequeña cantidad de energía se disipará fuera del sistema. Este valor, como tal, siempre tiende a crecer en el transcurso de un proceso que se produzca de forma natural.
Hay muchas implicaciones que se derivan de esta ley (ciclos, motores y rendimiento de los mismos entre ellas), o que son otra forma de expresar lo mismo según otros parámetros que no son ni el calor ni la energía (como por ejemplo el aumento de la entropía).
Las máquinas térmicas son sistemas que transforman calor en trabajo. En ellas, se refleja claramente las restricciones señaladas anteriormente. Existen muchos ejemplos de aparatos que son, en realidad, máquinas térmicas: la máquina de vapor, el motor de un coche, e incluso un refrigerador, que es una máquina térmica funcionando en sentido inverso.
Las máquinas térmicas aprovechan una parte del calor que reciben y lo transforman en trabajo, dejando el resto que pase al sumidero. Dadas dos máquinas cualesquiera, nos será útil saber cuál de ellas es capaz de convertir en trabajo una mayor cantidad del calor que recibe, es decir, comparamos su eficiencia térmica.
La tercera ley de la termodinámica expresa que es imposible reducir la temperatura de un sistema hasta el cero absoluto mediante un número finito de operaciones. Es decir, que todas esas veces que escuchas sobre aparatos que llegan al cero absoluto en las películas y series… bueno, dejémoslo en que se “aproximan”. La idea es la siguiente: si nosotros vamos reduciendo la temperatura progresivamente siempre queda una pequeña parte restante. Y aunque sigamos reduciendo poco a poco, nunca llegaremos a reducirla del todo hasta el punto en que sea completamente nula. Porque siempre existirá un mínimo de energía restante en el sistema que estamos intentando enfriar.
