Termodinámica en la física leyes y conceptos básicos

Tercera ley de la termodinámica

La rama de la ciencia denominada termodinámica se ocupa de los sistemas capaces de transferir energía térmica en al menos otra forma de energía (mecánica, eléctrica, etc.) o en trabajo. Las leyes de la termodinámica se desarrollaron a lo largo de los años como algunas de las reglas fundamentales que se siguen cuando un sistema termodinámico experimenta algún tipo de cambio energético.

La historia de la termodinámica comienza con Otto von Guericke que, en 1650, construyó la primera bomba de vacío del mundo y demostró la existencia del vacío utilizando sus semiesferas de Magdeburgo. Guericke quería hacer el vacío para refutar la suposición de Aristóteles de que “la naturaleza aborrece el vacío”. Poco después de Guericke, el físico y químico inglés Robert Boyle se enteró de los diseños de Guericke y, en 1656, en coordinación con el científico inglés Robert Hooke, construyó una bomba de aire.  Utilizando esta bomba, Boyle y Hooke observaron una correlación entre presión, temperatura y volumen. Con el tiempo, se formuló la Ley de Boyle, que establece que la presión y el volumen son inversamente proporcionales.

4 leyes de la termodinámica

A lo largo de los años, los científicos han descubierto que la naturaleza suele ser más compleja de lo que creemos. Las leyes de la física se consideran fundamentales, aunque muchas de ellas se refieren a sistemas idealizados o teóricos difíciles de reproducir en el mundo real.

Al igual que ocurre en otros campos de la ciencia, las nuevas leyes de la física se basan en leyes e investigaciones teóricas ya existentes o las modifican. La teoría de la relatividad de Albert Einstein, que desarrolló a principios del siglo XX, se basa en las teorías elaboradas más de 200 años antes por Sir Isaac Newton.

El trabajo pionero de Sir Isaac Newton en física se publicó por primera vez en 1687 en su libro “Los principios matemáticos de la filosofía natural”, comúnmente conocido como “Los Principia”. En él esbozaba teorías sobre la gravedad y el movimiento. Su ley física de la gravedad establece que un objeto atrae a otro en proporción directa a su masa combinada e inversamente relacionada con el cuadrado de la distancia entre ellos.

Las tres leyes del movimiento de Newton, que también se encuentran en “Los Principia”, rigen cómo cambia el movimiento de los objetos físicos. Definen la relación fundamental entre la aceleración de un objeto y las fuerzas que actúan sobre él.

Ley Z de la termodinámica

La entropía es algo muy importante en el ámbito de la termodinámica. Es la idea central que subyace a la segunda y tercera leyes y aparece por todas partes. Básicamente, la entropía es la medida del desorden y la aleatoriedad de un sistema. He aquí dos ejemplos

Para obtener una imagen más detallada de la entropía, debemos analizar el concepto de espacio de fases. Algunos conceptos pueden resultar un poco confusos, pero una vez que se entienden, no están tan mal.

Un espacio de fases es como un gráfico, pero un punto de este gráfico representa el estado completo de un sistema. Pongamos un ejemplo. Imaginemos que tenemos una caja con 4 partículas de gas en su interior. Cada punto del espacio de fases de este sistema indica dónde se encuentran las 4 bolas en la caja.

En nuestro ejemplo sólo nos interesan las posiciones de las 4 partículas, así que cada punto del espacio de fase debe contener una coordenada x, y, y z para cada partícula, de modo que nuestro espacio de fase es de 3N dimensiones, donde N es el número de partículas del sistema. Así que en nuestro caso, el espacio de fase es de 12 dimensiones, para que cada punto pueda describir la ubicación de 4 cuerpos.

Equilibrio termodinámico

Esta tetera hirviendo representa la energía en movimiento. El agua de la tetera se convierte en vapor de agua porque el calor se transfiere de la estufa a la tetera. A medida que todo el sistema se calienta, se produce trabajo, desde la evaporación del agua hasta el silbido de la tetera. (Crédito: Gina Hamilton)

Si nos interesa saber cómo se convierte la transferencia de calor en trabajo, entonces es importante el principio de conservación de la energía. La primera ley de la termodinámica aplica el principio de conservación de la energía a los sistemas en los que la transferencia de calor y la realización de trabajo son los métodos de transferencia de energía dentro y fuera del sistema. La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la transferencia neta de calor hacia el sistema menos el trabajo neto realizado por el sistema. En forma de ecuación, la primera ley de la termodinámica es

Aquí ΔUΔU es el cambio en la energía interna UU del sistema. QQ es el calor neto transferido al sistema, es decir, QQ es la suma de todas las transferencias de calor hacia y desde el sistema. WW es el trabajo neto realizado por el sistema, es decir, WW es la suma de todo el trabajo realizado sobre o por el sistema. Utilizamos las siguientes convenciones de signos: si QQ es positivo, entonces hay una transferencia neta de calor hacia el sistema; si WW es positivo, entonces hay trabajo neto realizado por el sistema. Así que QQ positivo añade energía al sistema y WW positivo toma energía del sistema. Por lo tanto ΔU=Q-WΔU=Q-W. Obsérvese también que si la transferencia de calor al sistema es mayor que el trabajo realizado, la diferencia se almacena como energía interna. Los motores térmicos son un buen ejemplo de esto: la transferencia de calor hacia ellos se produce para que puedan realizar trabajo. (Véase la Figura 15.3.) Ahora examinaremos QQ, WW y ΔUΔU con más detalle.