Termodinámica
La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo.
Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se
transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una
transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor
temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo.
El calor se define como una transferencia de energía
debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una
transferencia de energía que no se debe a una diferencia de temperatura
Al hablar de termodinamica, con frecuencia se usa el
término "sistema". Por sistema se entiende un objeto o conjunto de
objetos que deseamos considerar. El resto, lo demás en el Universo, que no
pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente". Se consideran
varios tipos de sistemas. En un sistema cerrado no entra ni sale masa,
contrariamente a los sistemas abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un
sistema cerrado es aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por
sus fronteras.
Previo a profundizar en este tema de la termodinamica,
es imprescindible establecer una clara distinción entre tres conceptos básicos:
temperatura, calor y energía interna. Como ejemplo ilustrativo, es conveniente
recurrir a la teoría cinética de los gases, en que éstos sabemos están
constituidos por numerosísimas moléculas en permanente choque entre sí.
La temperatura es una medida de la energía cinética
media de las moléculas individuales. El calor es una transferencia de energía,
como energía térmica, de un objeto a otro debida a una diferencia de
temperatura.
La energía interna (o térmica) es la energía total de todas
las moléculas del objeto, o sea incluye energía cinética de traslación,
rotación y vibración de las moléculas, energía potencial en moléculas y energía
potencial entre moléculas. Para mayor claridad, imaginemos dos barras calientes
de un mismo material de igual masa y temperatura. Entre las dos tienen el doble
de la energía interna respecto de una sola barra. Notemos que el flujo de calor
entre dos objetos depende de sus temperaturas y no de cuánta energía térmica o
interna tiene cada uno. El flujo de calor es siempre desde el objeto a mayor
temperatura hacia el objeto a menor temperatura.
Primera Ley de la Termodinámica
Esta ley se expresa como:
Eint = Q - W
Cambio en la energía interna en el sistema = Calor
agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W)
Notar que el signo menos en el lado derecho de la
ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el
sistema.
Para entender esta ley, es útil imaginar un gas
encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante
un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas
estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas
hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.
Segunda Ley de la Termodinámica
La primera ley nos dice que la energía se conserva.
Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía,
pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente
a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos
que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la
primera ley.
En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos
procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la
segunda ley de la termodinamica, que tiene dos enunciados equivalentes:
Enunciado de Kelvin - Planck : Es imposible construir
una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la
absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual
de trabajo.
Enunciado de Clausius: Es imposible construir
una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía
de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.
Ley Cero de la Termodinámica (de Equilibrio):
"Si dos objetos A y B
están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los
objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí".
Como consecuencia de esta
ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la
misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en
equilibrio térmico entre sí.
Tercera Ley de la Termodinámica.
La tercera ley tiene varios
enunciados equivalentes:
"No se puede llegar al
cero absoluto mediante una serie finita de procesos"
Es el calor que entra desde
el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen
temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más baja
posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la
cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde
aproximadamente a la temperatura de - 273,16ºC. Nunca se ha alcanzado tal
temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable.
"La entropía de
cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que
la temperatura tiende a cero".
"La primera y la
segunda ley de la termodinámica se pueden aplicar hasta el límite del cero
absoluto, siempre y cuando en este límite las variaciones de entropía sean
nulas para todo proceso reversible".
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