Procesos
y Leyes de la Termodinámicas
Primera ley de la
termodinámica
También conocida como principio de conservación de
la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un
sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema
cambiará.
En palabras llanas: "La energía ni se crea ni
se destruye: solo se transforma".
Visto de otra forma, esta ley permite definir el
calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar
las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Nicolas
Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz
del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la
que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta obra fue
incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por
Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las
bases de la termodinámica.
La ecuación general de la conservación de la energía
es la siguiente:
Eentrada
- Esale = ∆Esistema (Ec. 1)
Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta
el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:
∆U = Q – W
(Ec-2)
Donde U es la
energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al
sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.
Esta última expresión es igual de frecuente
encontrarla en la forma ∆U = Q + W. Ambas expresiones, aparentemente contradictorias,
son correctas y su diferencia está en que se aplique el convenio de signos
IUPAC o el Tradicional (véase criterio de signos termodinámico).
Segunda ley de la
termodinámica
Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse
a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que
ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta
dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen).
También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir
completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma,
la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que
hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el primer
principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una
magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado
(que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la
entropía siempre debe ser mayor que cero.
Debido a esta ley también se tiene que el flujo
espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor
temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.
La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas,
que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco
caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La
diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico
obtenido.
Existen numerosos enunciados equivalentes para
definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin
Tercera ley de la
termodinámica
La tercera de las leyes de la termodinámica,
propuesta por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura
igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede
formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero
absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de
los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales
al cero absoluto. No es una noción exigida por la termodinámica clásica, así
que es probablemente inapropiado tratarlo de «ley».
Es importante remarcar que los principios o leyes de
la termodinámica son válidos siempre para los sistemas macroscópicos, pero
inaplicables a nivel microscópico. La idea del demonio de Maxwell ayuda a
comprender los límites de la segunda ley de la termodinámica jugando con las
propiedades microscópicas de las partículas que componen un gas.
La tercera ley contemplada por la termodinámica, por
último, destaca que no es posible lograr una marca térmica que llegue al cero
absoluto a través de una cantidad finita de procedimientos físicos.
