Principios fundamentales de la Termodinámica: Primera y Segunda Ley

Primera Y Segunda Ley De La Termodinámica

Para resumir, la primera ley de termodinámica habla sobre la conservación de la energía entre los procesos, mientras que la segunda ley de la termodinámica trata sobre la direccionalidad de los procesos, es decir, de menor a mayor entropía (en el universo en general).

Leyes de la termodinámica: ¿Qué significan?

Las leyes de la termodinámica, también conocidas como principios de la termodinámica, explican el comportamiento de tres magnitudes físicas esenciales: temperatura, energía y entropía. Estas cantidades son fundamentales para caracterizar los sistemas termodinámicos. El término “termodinámica” proviene del griego thermos, que significa “calor”, y dynamos, que se traduce como “fuerza”.

Desde el punto de vista matemático, las leyes de la termodinámica se representan mediante un conjunto de ecuaciones que nos permiten comprender cómo se comportan los sistemas termodinámicos. Estos sistemas pueden ser cualquier objeto o entidad que estemos estudiando, ya sea una molécula, un ser humano, la atmósfera o incluso el agua hirviendo en una cacerola.

Las leyes de la termodinámica son fundamentales para entender las reglas físicas que rigen el universo y explican por qué ciertos fenómenos, como el movimiento perpetuo, no son posibles.

Además, es importante mencionar el principio de conservación de la energía. Este principio establece que la energía no puede ser creada ni destruida, solo se transforma de una forma a otra. Esto significa que en un sistema cerrado, la cantidad total de energía siempre se mantiene constante. La primera ley de la termodinámica está estrechamente relacionada con este principio, ya que afirma que la energía total del universo también se conserva.

Por otro lado, tenemos la segunda ley de la termodinámica. Esta ley nos dice que en cualquier proceso natural o espontáneo, hay una tendencia hacia el aumento del desorden o entropía en el universo. En otras palabras, los sistemas tienden a volverse más caóticos y menos organizados con el tiempo.

La segunda ley también establece que no es posible convertir completamente toda la energía térmica en trabajo útil sin generar algún tipo de pérdida o disipación de calor. Esto implica limitaciones fundamentales para las máquinas térmicas y procesos industriales.

Origen de las leyes termodinámicas

Los cuatro principios de la termodinámica tienen diferentes orígenes y algunos surgieron a partir de los anteriores. El primero en ser establecido fue el segundo, creado por el físico e ingeniero francés Nicolás Léonard Sadi Carnot en 1824.

No obstante, en 1860 Rudolf Clausius y William Thompson reformularon este principio, dando lugar a lo que hoy conocemos como la Primera Ley de la Termodinámica. Posteriormente, surgió la tercera ley, también llamada “postulado de Nernst” debido a los estudios realizados por Walther Nernst entre 1906 y 1912.

La “ley cero” fue propuesta por Guggenheim y Fowler en 1930, aunque no es ampliamente reconocida como una ley verdadera en todos los ámbitos.

Primera Ley de la Termodinámica

La energía no puede ser creada ni destruida, solo puede transformarse.

La primera ley de la termodinámica, conocida como “Ley de la Conservación de la Energía”, establece que en un sistema físico aislado del entorno, la cantidad total de energía se mantiene constante. Esto significa que aunque la energía pueda transformarse de una forma a otra, no puede ser creada ni destruida. En otras palabras, la energía es siempre conservada dentro del sistema.

De esta manera, al proporcionar una cierta cantidad de calor (Q) a un sistema físico, podemos calcular su energía total restando el trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores (W). Esto se expresa en la fórmula: ΔU = Q – W.

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Un ejemplo de esta ley se puede observar en el motor de un avión. Este sistema termodinámico está compuesto por combustible que, al reaccionar químicamente durante la combustión, libera calor y realiza un trabajo que permite que el avión se mueva. Si pudiéramos medir la cantidad de trabajo realizado y calor liberado, podríamos calcular la energía total del sistema y concluir que la energía en el motor se mantiene constante durante el vuelo. En otras palabras, no se crea ni se destruye energía, sino que simplemente cambia de forma: de energía química a energía calórica y cinética (movimiento).

¿Cómo comprender la termodinámica?

La termodinámica es una rama de la ciencia que se encarga de estudiar cómo se comporta la energía térmica, es decir, el calor. Esta energía tiene la capacidad de producir cambios en un sistema o realizar trabajo.

La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía no puede ser creada ni destruida, solo transformada. Esto significa que toda la energía presente en un sistema se conserva y no desaparece. Por ejemplo, si tenemos una taza con agua caliente y dejamos que se enfríe al contacto con el aire frío, parte del calor del agua será transferido al ambiente hasta alcanzar una temperatura equilibrada.

Esta ley es muy importante porque nos permite entender cómo funciona el intercambio de energía entre diferentes sistemas y cómo se mantiene constante a lo largo del tiempo. Además, también nos ayuda a comprender por qué los procesos naturales tienden hacia estados de mayor desorden (entropía), ya que siempre hay pérdidas inevitables de energía durante las transformaciones.

La Segunda Ley de la Termodinámica

Con el paso del tiempo, todos los sistemas tienden a desequilibrarse.

La segunda ley de la termodinámica, conocida también como “Ley de la Entropía”, establece que la entropía en el universo tiende a aumentar con el tiempo. Esto implica que los sistemas tienden a volverse más desordenados hasta alcanzar un estado de equilibrio, donde se encuentra el máximo grado de desorden del sistema.

La primera ley de la termodinámica introduce un concepto fundamental en física: la entropía. La entropía, representada por la letra S, es una medida del grado de desorden en los sistemas físicos. Durante cualquier proceso físico en el que hay una transformación de energía, existe una cantidad de energía que no puede ser utilizada para realizar trabajo. En su mayoría, esta energía se convierte en calor y se libera al sistema. Este calor contribuye a aumentar el desorden del sistema, es decir, su entropía. Por lo tanto, podemos decir que la entropía es una medida del desorden presente en un sistema.

La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la entropía (dS) siempre será igual o mayor a la transferencia de calor (dQ) dividida por la temperatura (T) del sistema. En otras palabras, podemos decir que dS es mayor o igual a dQ/T.

Para comprender esto de manera ilustrativa, podemos considerar el caso de quemar una cantidad específica de materia y luego reunir las cenizas resultantes. Al pesarlas, notaremos que hay menos materia que en su estado original: parte de la materia se transformó en calor en forma de gases, los cuales no pueden realizar trabajo sobre el sistema y contribuyen a aumentar su desorden.

Aplicación de las leyes de la termodinámica en la vida diaria

La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía no puede ser creada ni destruida, solo se transforma. Esto significa que en cualquier proceso, como el funcionamiento de los motores de los autos o al hervir agua en una tetera, la energía se convierte de una forma a otra. Por ejemplo, cuando encendemos el motor del auto, la energía química contenida en el combustible se transforma en energía mecánica para hacer girar las ruedas y mover el vehículo.

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En cuanto a la segunda ley de la termodinámica, esta establece que el calor siempre fluye desde un cuerpo con mayor temperatura hacia otro con menor temperatura. En otras palabras, si ponemos una tetera caliente sobre una superficie fría, el calor se transferirá desde la tetera al ambiente circundante hasta alcanzar un equilibrio térmico. Nunca veremos que el calor fluya espontáneamente desde un objeto más frío hacia uno más caliente.

Estos principios son fundamentales para entender cómo funciona nuestro mundo y cómo interactúan las diferentes formas de energía entre sí. Nos ayudan a comprender por qué ciertos procesos ocurren naturalmente mientras otros requieren trabajo adicional para llevarse a cabo.

La Ley de la Termodinámica Número Tres

Cuando la temperatura alcanza el cero absoluto, los sistemas físicos dejan de experimentar procesos.

La tercera ley de la termodinámica establece que cuando un sistema se acerca al cero absoluto, su entropía alcanza un valor constante. En otras palabras, a medida que la temperatura disminuye hasta llegar al cero absoluto, el desorden y la aleatoriedad en el sistema también se reducen hasta alcanzar un estado de orden máximo.

Cuando un sistema físico alcanza el cero absoluto, es decir, una temperatura de cero Kelvin, todos los procesos en dicho sistema se detienen por completo. Además, en este punto la entropía del sistema alcanza su valor mínimo constante.

Alcanzar el cero absoluto (-273,15 °C) en la vida cotidiana es algo difícil de lograr. Sin embargo, podemos entender esta ley observando lo que sucede en un congelador: los alimentos que colocamos allí se enfriarán tanto que los procesos bioquímicos en su interior se ralentizarán o incluso se detendrán por completo. Esto hace que la descomposición de los alimentos sea más lenta y puedan ser consumidos durante un período mucho más largo.

¿Quién fue el autor de la primera ley de la termodinámica?

El primer y segundo principio de la termodinámica son dos conceptos fundamentales que surgieron alrededor del año 1850. Estos principios fueron desarrollados por varios científicos importantes como Germain Henri Hess, William Rankine, Rudolf Clausius, James Prescott Joule y William Thomson (conocido como Lord Kelvin).

El primer principio de la termodinámica se refiere a la conservación de energía en un sistema cerrado. Esto significa que la energía no puede ser creada ni destruida, solo puede cambiar de forma. Por ejemplo, si tenemos una taza con agua caliente y dejamos que se enfríe, la energía térmica del agua se transferirá al ambiente hasta alcanzar el equilibrio.

Por otro lado, el segundo principio de la termodinámica establece que en un sistema aislado siempre habrá una tendencia hacia el aumento del desorden o entropía. Esto quiere decir que los procesos naturales tienden a volverse más caóticos con el tiempo. Un ejemplo común es cuando dejamos caer un vaso y este se rompe en pedazos: es mucho más probable tener fragmentos dispersos por todas partes en lugar de volver a ensamblarse perfectamente.

Ley “cero” de la Termodinámica

La “ley cero” se puede entender de la siguiente manera: si dos objetos están en equilibrio con un tercer objeto, entonces los primeros dos objetos también estarán en equilibrio entre sí.

La ley cero, aunque fue la última en ser propuesta, es conocida con ese nombre. También se le llama Ley del Equilibrio Térmico y establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, entonces también deben estar en equilibrio térmico entre sí. Esto puede expresarse lógicamente como: si A = C y B = C, entonces A = B.

La primera ley de la termodinámica 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 (es decir, tienen la misma temperatura) y el cuerpo B también tiene la misma temperatura que C, entonces podemos concluir que los cuerpos A y B poseen igual temperatura.

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Una manera de expresar este principio es decir que cuando dos objetos con diferentes temperaturas entran en contacto, intercambian calor hasta alcanzar la misma temperatura.

Es fácil encontrar ejemplos cotidianos de la primera ley de la termodinámica. Por ejemplo, cuando nos sumergimos en agua fría o caliente, al principio notamos la diferencia de temperatura, pero luego nuestro cuerpo alcanza el equilibrio térmico con el agua y ya no percibimos esa diferencia. Lo mismo sucede cuando entramos a una habitación calurosa o fría: al principio sentimos la temperatura, pero después nos adaptamos y dejamos de notar esa diferencia porque alcanzamos el equilibrio térmico con ella.

Referencias

– Wikipedia: En el artículo “Principios de la termodinámica” podrás obtener una introducción detallada a este tema.

– Khan Academy: En esta plataforma educativa, encontrarás un recurso dedicado exclusivamente a “Las leyes de la termodinámica”. Aquí podrás aprender sobre cada ley individualmente y comprender cómo se relacionan entre sí.

– The Enciclopedia Britannica: Bajo el título “Thermodynamics”, esta enciclopedia proporciona información exhaustiva sobre las leyes fundamentales que rigen los procesos energéticos en sistemas físicos y químicos.

– Quantum Fracture (Video): Si prefieres aprender visualmente, este video titulado “Las leyes de la termodinámica en 5 minutos” es ideal para ti. A través del formato audiovisual, se explica brevemente cada ley con ejemplos ilustrativos.

Diferencia entre calor y temperatura

El calor es una forma de energía térmica que se transfiere de un sistema con mayor temperatura a otro con menor temperatura cuando están en contacto. Esta transferencia ocurre debido a la diferencia de temperaturas entre los dos sistemas y busca alcanzar el equilibrio térmico.

La temperatura, por su parte, es una medida que nos indica la cantidad promedio de energía cinética que poseen los átomos o moléculas en un sistema. Es decir, está relacionada directamente con el movimiento y vibración de las partículas constituyentes del sistema.

Cuando dos sistemas se ponen en contacto térmico, el calor fluye desde el sistema más caliente hacia el más frío hasta que ambos alcancen una misma temperatura. Esto se debe a la Primera Ley de la Termodinámica, también conocida como principio de conservación de la energía, que establece que la energía no puede ser creada ni destruida, solo transformada o transferida.

Por otro lado, tenemos la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece ciertas restricciones sobre cómo ocurren las transferencias y transformaciones energéticas. Esta ley señala que en cualquier proceso espontáneo (es decir, sin intervención externa), existe siempre un aumento neto en la entropía total del universo. La entropía puede entenderse como una medida del desorden o aleatoriedad presente en un sistema.

La tercera ley de la termodinámica: ¿Cuál es?

La tercera ley de la termodinámica establece que cuando un sistema se enfría hasta alcanzar el cero absoluto, su entropía se convierte en una constante definida. En otras palabras, a medida que la temperatura disminuye y llega a cero Kelvin (el punto más bajo posible), los procesos físicos dentro del sistema se detienen por completo.

Esta ley es fundamental para comprender cómo funciona la naturaleza a temperaturas extremadamente bajas. Cuando un objeto o sustancia se acerca al cero absoluto, sus partículas individuales pierden energía y movimiento térmico. Como resultado, las interacciones entre ellas también disminuyen significativamente.

En el contexto de esta ley, la entropía puede entenderse como una medida del desorden o caos presente en un sistema. A medida que el sistema se enfría hacia el cero absoluto, su entropía tiende a alcanzar un valor mínimo y constante. Esto implica que no hay cambios adicionales posibles dentro del sistema debido a la falta total de energía térmica disponible.

Es importante destacar que llegar al cero absoluto es prácticamente imposible de lograr experimentalmente. Sin embargo, esta ley proporciona una base teórica sólida para comprender cómo los sistemas físicos evolucionan hacia estados cada vez más ordenados y estables a temperaturas muy bajas.