Leyes de la termodinámica – concepto y propiedades

Te explicamos qué son las leyes de la termodinámica, cuál es el origen de estos principios y las principales características de cada uno.

Leyes de la Termodinámica
Las leyes de la termodinámica se utilizan para comprender las leyes físicas del universo.

¿Cuáles son las leyes de la termodinámica?

Las leyes de la termodinámica (o los principios de la termodinámica) describen el comportamiento de tres cantidades físicas básicas, temperatura, energía y entropía, que caracterizan los sistemas termodinámicos. El término «termodinámica» proviene del griego Termoqué significa «calor», y dinamosque significa «fuerza».

Matemáticamente, estos principios se describen mediante un conjunto de ecuaciones explicar el comportamiento de los sistemas termodinámicosdefinido como cualquier objeto de estudio (desde una molécula o un ser humano hasta la atmósfera o agua hirviendo en una olla).

Hay cuatro leyes de la termodinámica y son cruciales para entender las leyes físicas del universo y la imposibilidad de ciertos fenómenos como el perpetuum mobile.

Ver también: conservación de la energía

Origen de las leyes de la termodinámica

Los cuatro principios de la termodinámica. tienen diferentes orígenes, y algunos fueron formulados a partir de los anteriores. El primero en fundarse efectivamente fue el segundo, obra del físico e ingeniero francés Nicolás Léonard Sadi Carnot en 1824.

Sin embargo, en 1860 este principio fue reafirmado por Rudolf Clausius y William Thompson y luego agregado a lo que ahora llamamos la Primera Ley de la Termodinámica. Posteriormente apareció el tercero, también conocido como el “Postulado de Nerst” porque surgió gracias a los estudios de Walther Nernst entre 1906 y 1912.

Finalmente, En 1930 apareció la llamada “ley cero”., propuesto por Guggenheim y Fowler. Hay que decir que no se reconoce como derecho verdadero en todos los ámbitos.

Primera ley de la termodinámica

Primera ley de la termodinámica
La energía no se puede crear ni destruir, solo se puede convertir.

La primera ley se llama «ley de conservación de la energía» porque dicta que en cualquier sistema físico aislado de su entorno, La cantidad total de energía es siempre la misma., aunque puede convertir de una forma de energía a otra. O dicho de otro modo: la energía no se crea ni se destruye, solo se convierte.

Entonces, si se agrega una cantidad dada de calor (Q) a un sistema físico, su cantidad total de energía se puede calcular a partir del calor agregado menos el trabajo (W) que el sistema realiza en su entorno. Expresado en una fórmula: ΔU = Q – W.

Como ejemplo de esta ley, considere el motor de un avión. Es un sistema termodinámico formado por combustible que reacciona químicamente durante el proceso de combustión, liberando calor y realizando trabajo (que mueve la aeronave). Entonces: si pudiéramos medir el trabajo realizado y el calor emitido, podríamos calcular la energía total del sistema y concluir que la energía en el motor se mantuvo constante durante todo el vuelo: la energía no se creó ni se destruyó, sino que se creó. Cambio de energía química a energía térmica y energía cinética (movimiento, es decir, trabajo).

Segunda ley de la termodinámica

Segunda ley de la termodinámica
Dado el tiempo suficiente, todos los sistemas eventualmente tienden a desequilibrarse.

Esto resume la segunda ley, también conocida como la «ley de la entropía». La cantidad de entropía en el universo tiende a aumentar con el tiempo.. Esto quiere decir que el grado de desorden de los sistemas aumenta hasta llegar a un punto de equilibrio, que es el estado de mayor desorden del sistema.

Esta ley introduce un concepto fundamental a la física: el concepto de entropía (representada por la letra S), que en el caso de los sistemas físicos representa el grado de desorden. Resulta que en todo proceso físico en el que tiene lugar una conversión de energía, no se puede utilizar una determinada cantidad de energía, es decir, no se puede realizar ningún trabajo. Cuando no puede realizar trabajo, en la mayoría de los casos esa energía es calor. Este calor liberado por el sistema aumenta el desorden del sistema, su entropía. La entropía es una medida del desorden de un sistema.

La redacción de esta ley así lo establece el cambio de entropía (dS) siempre es igual o mayor que la transferencia de calor (dQ), dividido por la temperatura (T) del sistema. Eso quiere decir que: dS ≥ dQ/T.

Para entender esto con un ejemplo, es suficiente quemar una cierta cantidad de materia y luego recolectar la ceniza resultante. Si lo pesamos, probaremos que es menos materia que en su estado original: parte de la materia se ha convertido en calor en forma de gases que no pueden realizar ningún trabajo sobre el sistema y contribuir a su alteración.

Tercera ley de la termodinámica

Tercera ley de la termodinámica
Al llegar al cero absoluto, los procesos de los sistemas físicos se detienen.

La tercera ley lo dice. La entropía de un sistema llevado al cero absoluto se define como una constante. En otras palabras:

  • Al llegar al cero absoluto (cero en unidades de Kelvin), los procesos…

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