Hablemos de leyes: Termodinámica

Una teoría es tanto más grandiosa cuanto mayor es la sencillez de sus premisas (…) De aquí la profunda impresión que produjo en mi la Termodinámica. Es la única teoría universal que (…) estoy convencido que jamás será desechada (Albert Einstein).

Para alguien que comience a estudiar o escuche por primera vez hablar sobre la termodinámica, las primeras preguntas que le asaltaran la mente serán: ¿Qué es la termodinámica? y ¿tiene esto algún uso en la vida cotidiana?

Espero que con este artículo consiga aclarar algunas cuestiones y dudas generales sobre esta rama de la física tan importante.

La termodinámica, atendiendo a la primera de las cuestiones, no es más que el estudio del flujo de energía de un sistema. Es un objeto básico aplicable por igual a los problemas de ingeniería, a los sistemas vivientes y al comportamiento de las moléculas orgánicas. Puede decirse que se encarga de:

  • Los intercambios energéticos entre los sistemas.
  • Establecer la espontaneidad de los procesos que se dan entre los sistemas.

La termodinámica está formada por cuatro principio o leyes básicas que no nombraré, pero sí explicaré:

  • El principio cero de la termodinámica es una ley fenomenológica (esto es, que se centra en los fenómenos) para sistemas que se encuentran en equilibrio térmico. Esta ley cero, permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema, como los termómetros.
  • La primera ley de 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 síntesis, es el principio de conservación de la energía: La energía ni se crea ni se destruye.
  • La segunda ley de la termodinámica postula, en líneas generales, que las diferencias entre un sistema y sus alrededores tienden a igualarse. Es decir, las diferencias de presión, densidad y, particularmente, las diferencias de temperatura tienden a igualarse con sus alrededores. Esta segunda ley también indica, en su definición de Clausius, que es imposible que un sistema a menor temperatura transmita esta a otro sistema con mayor temperatura. Gráficamente se puede expresar imaginando una hoguera. Tras la completa combustión de una tabla de un tronco de madera cuyo peso es de 500 gr, los residuos resultantes no pesarán 500 gr sino que parte de esta habrá sido liberado a la atmósfera en forma de CO2 en la búsqueda de un aumento de su entropía. Así mismo, el proceso resulta unilateral.
  • La tercera ley de la termodinámica en términos simples, indica que la entropía (esto es, nivel de desorden de un sistema) de una sustancia pura en el cero absoluto es cero. Es decir, explicado con un ejemplo, los átomos y moléculas de un objeto en el cero absoluto (0ºK o −273,15 °C)  tendrían el menor movimiento posible. No estarían completamente en reposo, pero no podrían perder más energía de movimiento, con lo que no podrían transferir calor a otro objeto.

Hay que especificar que la temperatura menor a la que se ha sometido a un objeto experimentalmente en un laboratorio es 0’2 Kelvin. Por lo que la tercera ley es, en cierto modo, una aseveración absoluta.

Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la energía, es una de las más sólidas y universales de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por la ciencia.

Una vez definidos los conceptos podemos pasar a explicar brevemente la historia:

La termodinámica, como concepto en física, nace a principios del siglo XIX. No obstante, ya en 1641, el Duque de Toscana, fundador de la Academia Florentina de los Experimentos, aprovechando la entonces emergente tecnología de tubos capilares de vidrio, introdujo el termómetro de bulbo con alcohol y capilar sellado, prácticamente como los usados hoy, y es en esa época cuando se empieza a distinguir entre temperatura (estado térmico) y calor (flujo de energía térmica).

Más tarde, a mediados del XVII, el científico inglés Robert Boyle constató que, en los gases encerrados a temperatura ambiente, el producto de la presión por el volumen permanecía constante, y también, que la temperatura de ebullición disminuirá con la presión (ecuaciòn de clapeyron). Paralelamente se empezaron a desarrollar aplicaciones técnicas de la energía térmica. Y no fue hasta finales del Siglo XVII cuando se empezó a utilizar el vapor de agua para mover las bombas de achique de las minas de carbón en Inglaterra.

Se puede afirmar, como una gran síntesis que la termodinámica trató de unificar la explicación de las diferentes fuerzas introducidas en los procesos mecánicos, eléctricos, químicos, térmicos y magnéticos.

Algunas de las más conocidas aplicaciones de esta rama de la física son:

  • Las refrigeradoras.
  • Los motores. Estos se interpretan gracias a la primera ley.
  • Energía Eólica.
  • Globos sostenidos por gases (helio, por ejemplo).

Además de estos usos, la termodinámica está relacionada con una multitud de aplicaciones, como el secado de cereales, la refrigeración de alimentos, la producción de inoculantes para cultivos agrícolas, la producción de hongos comestibles, la fabricación de circuitos integrados, la refrigeración de componentes de computadoras, la fabricación de energía nuclear, etc.

Sin duda alguna podemos afirmar que procesos históricos como la revolución industrial, avances científicos y tecnológicos tan relevantes como la fabricación de electricidad o la era de la computación no habrían sido posibles sin nuestros conocimientos y manejo de la termodinámica.

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6 comentarios

Archivado bajo Física

6 Respuestas a “Hablemos de leyes: Termodinámica

  1. Cienciastermicas1

    Buenas. Me alegra que la el mundo bloguero se interese por la ciencia y en atención, con la termodinámica.

    Sin embargo, sin animo de ofender, he de indicarle algunos errores que contiene su entrada, y que seguro agradece ser corregidos:
    Comenzando por la definición del segundo principio de la termodinámica, que aunque correcto, no es una definición que acote el significado de este principio, con su ejemplo del barco esta citando el primer principio, para incluir el principio del que habla, debe saber que la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Es decir lo que quiere expresar es que la transferencia es unidirecional, o lo que es lo mismo la entropía del universo siempre aumenta.

    Y bueno de mas gravedad es cuando se refiere al ciclo de Carnot (no Carnnot) como el de las refrigeradoras. Bueno esta claro que el ciclo de Carnot, no es “el de las refrigeradoras”, es un ciclo IDEAL, que dice que no puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot que funcione entre esas mismas fuentes térmicas.
    Te habrá confundido el hecho de que el ciclo es REVERSIBLE, por lo que se puede emplear como bomba de calor y refrigerador.
    Ademas en la practica las refrigeradoras no usan este ciclo, porque como le he dicho es ideal.

    Espero que no se lo tome mal, y le animo a seguir escribiendo sobre esta bonita ciencia.

    • Muchas gracias por las correcciones.

      Tienes razón en lo de que mi definición de la segunda ley no acota todos los aspectos y significados, tampoco lo hace la de Clausius, la de John De Saint, por ejemplo. Sin embargo, como he señalado, no pretendo definir sino explicar en términos generales. Opino que a quien le interese profundizará mucho más y se dará cuenta de tan superflua explicación.
      También tienes razón en el ejemplo del barco. Aunque también se puede explicar segunda ley, no es el ejemplo más acertado. Lo cambiaré.

      Bueno, en el caso del Ciclo de Carnot, tienes razón es la máquina de Carnot. Y creo que no se trata de una confusión sino de falta de explicación y definición. Lo arreglaré.

      Nuevamente, se agradece el tirón de orejas.

  2. Gracias, melky52, me alegra que te parezca interesante.
    Gracias PHP SPain por interesarte y nombrar esta noticia en tu blog.
    Un saludo.

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