Leyes de la termodinámica

Calor y temperatura Desde la era primitiva los humanos adoraban el sol, los volcanes y rayos; que son fuentes naturales de energía, también el ser humano aprendió a utilizar el fuego para cocinar sus alimentos y de esa forma mejorar su condición.

 La rama de la Física que estudia el vínculo existente entre el calor y las demás formas de energía se llama termodinámica.

 La palabra termodinámica viene del griego thermos que significa “caliente” y dinamos que significa fuerza. 

El calor y la temperatura no son lo mismo, en el siguiente esquema se muestran las principales diferencias.

El calor es transferencia de energía originada por los movimientos vibratorios de los átomos y moléculas que forman un cuerpo. La termodinámica es la ciencia que se encarga de estudiar el vínculo entre el calor y las demás formas de energía.

Efectos del calor sobre los cuerpos

 El calor aumenta la agitación de las partículas, en consecuencia, su energía cinética aumenta; y cada vez que las partículas se mueven a mayor velocidad, se desplazan y ocupan un mayor espacio, esta es la causa para que ocurran los procesos de dilatación, contracción o cambios de estado de los cuerpos.

La dilatación y contracción 

Al aumentar la temperatura de las sustancias, su estructura se expande; es decir, ocupa mayor volumen, se dilatan. La dilatación es un proceso de expansión térmica que experimentan los cuerpos al aumentar su temperatura. 

Cuando la sustancia se enfría su estructura ocupa un menor volumen y se compacta; a excepción del agua; por sus propiedades. 

El termómetro se basa en la dilatación y contracción que provoca la variación de la temperatura. 

Cambios de estado

 Para que se produzca un cambio de estado se debe modificar la presión, la temperatura o ambas a la vez, si se mantiene la presión constante, los cambios de estado se producen cuando el calor incrementa o disminuye la energía cinética de las partículas que componen un cuerpo.

Los cambios de estado suceden por el aumento o disminución de energía; la entalpía es una magnitud termodinámica, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno. Gracias al intercambio de energía ocurren los cambios de estado en la materia. 

El siguiente esquema muestra que en los cambios de estado a los que apuntan las flechas rojas es donde aumenta la temperatura y consigo la entalpía. 

Sistema Termodinámico 

Un sistema termodinámico es una parte del universo que se aísla para poder ser estudiado. 

Clasificación de los sistemas termodinámicos 

• Aislados: son los que no intercambia materia ni energía con los alrededores. 

• Cerrados: son aquellos que intercambia energía pero no materia (masa) con los alrededores. 

• Abiertos: son aquellos que intercambian energía y materia con los alrededores.

Leyes de Termodinámica

 Equilibrio Térmico o ley cero de termodinámica: fue formulada por primera vez en 1931 por Ralph H. Fowler, puesto que surgió años más tarde de la Primera y Segunda Ley, fue necesario renombrarla como la “La ley Cero” y establece lo siguiente: si dos o más cuerpos se encuentran a diferente temperatura y son puestos en contacto, pasado cierto tiempo, alcanzarán la misma temperatura, por lo que estarán térmicamente equilibrados.

 Siempre el cuerpo con mayor temperatura cede energía al cuerpo de menor temperatura, sin importar el tamaño de los cuerpos u objetos. Por ejemplo, si una taza de café caliente se deja expuesta al ambiente, inmediatamente la taza de café cederá energía al ambiente hasta que la taza se encuentre en equilibrio térmico con el ambiente.

Primera ley de la termodinámica Fue formulada por James Joule, se le conoce también como ley de conservación de la energía, establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Se representa matemáticamente con la siguiente fórmula:

Ejercicio 

Un cilindro que contiene un gas y está dotado de un pistón de 5000 N. Se calienta el gas y el pistón se desplaza 0.4 m. Considerando que el calor absorbido por el gas es de 60J. Calcular la variación de energía interna.

Solución

 Datos

∆U=?

 Q= 60J

 F= 5000N

 Desplazamiento 

(∆x)= 0.4m 

Calculamos el trabajo realizado, recordamos que el trabajo es el producto entre la fuerza y el desplazamiento: 

W= 5000N x 0.4m= 2000J

 Calculamos la variación de la energía interna:

 ∆U= 60J-2000J= -1940J

Degradación de la energía 

En cualquier proceso la cantidad de energía se conserva, pero se transforma en formas de energía menos útil. En las transformaciones energéticas, una parte de la energía inicial se disipa en forma de calor y no puede ser íntegramente convertida de nuevo en su forma inicial, por ejemplo: 

• La energía eléctrica se transforma en calor al pasar por una resistencia como en una hornilla de estufa. 

• La energía mecánica se puede transformar en calor a través de choque o fricción. 

Segunda ley de la termodinámica 

Los científicos más destacados que trabajaron en la elaboración de esta ley fueron: Sadi Carnot , William Thomson, Lord Kelvin, B. P. Clapeyron y Rudolf Clausius, quien hacia 1850 le dio la formulación final. Esta ley establece que “La cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo” ; la entropía es la magnitud que mide la parte de la energía que no se puede utilizar para producir un trabajo. La segunda ley brinda los medios necesarios para determinar la calidad, y el nivel de degradación de la energía; es decir, todo el trabajo se puede convertir en calor pero no todo el calor puede convertirse en trabajo. 

Tercera ley de la termodinámica 

Fue desarrollada por el químico Walther Nernst durante los años 1906-1912, ésta afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual a cero absoluto, es decir, 0º Kelvin o -273.15°C, ya que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, el intercambio calórico es cada vez menor hasta llegar a ser casi nulo.

Fuente: Secretaria de Educación. Ciencias Naturales III ciclo, 8vo grado.