Te explicamos qué son las Leyes de la Termodinámica y cómo se desarrollan. Además, cuáles son sus características y ejemplos.
¿Qué son las leyes de la termodinámica?
Se conoce como leyes de la termodinámica o principios de la termodinámica a un conjunto de formulaciones que caracterizan a los sistemas termodinámicos a partir de sus cantidades físicas fundamentales: temperatura, energía y entropía.
Se denomina sistemas termodinámicos a una parte del universo que se aísla teóricamente para poder estudiarla.
Existen cuatro leyes de la termodinámica, enumeradas del cero al tres. En ellas se describe cómo operan dichos sistemas ante diversas circunstancias y contextos, y prohíben la existencia de algunos fenómenos, como el movimiento perpetuo.
Se trata de las formulaciones más elementales de esta rama de la física.
Ver además: Ley de Murphy
¿Qué es la termodinámica?
La termodinámica es una rama de la física dedicada a la descripción de los estados de equilibrio de los sistemas físicos a nivel macroscópico, es decir, aquellos cuyas características son determinables por elementos internos y no por fuerzas externas que actúan sobre ellos. Por esta razón, considera que la energía solo puede intercambiarse de un sistema a otro en forma de calor o de trabajo.
Historia de la termodinámica
El primer principio termodinámico en establecerse fue obra de Nicolás Léonard Sadi Carnot en 1824, que luego se denominó Segunda Ley de la Termodinámica.
En 1860 este principio fue expresado por Rudolf Clausius y William Thompson, junto al que luego se convirtió en la Primera Ley de Termodinámica.
La tercera, más moderna, fue propuesta por Guggenheim y Fowler y se la denominó la “Ley Cero” en 1930, aunque no en todos los ámbitos es reconocida como tal.
Ley Cero de la termodinámica
La “ley cero” es llamada así porque a pesar de haber sido la última en postularse, establece preceptos fundamentales para las otras tres.
Indica que “si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, deben estar también en equilibrio térmico entre sí”.
Esto puede expresarse lógicamente como que si A = C y B = C, entonces A= B.
Primera Ley de la termodinámica
También conocida como la “Ley de la Conservación de la Energía”, establece que en cualquier sistema físico aislado, la cantidad total de energía será la misma a lo largo del tiempo, aunque pueda transformarse en otras formas de energía.
Dicho de otro modo: “en un sistema aislado, la energía no puede crearse ni destruirse, solo transformarse”.
Otra manera de enunciar esta ley es mediante la relación entre el calor (Q) que recibe o cede un sistema termodinámico, el trabajo hecho o recibido por él y su energía interna. Al suministrar una cantidad determinada de calor a un sistema, su energía interna (ΔU) será igual a la diferencia entre esa cantidad de calor y el trabajo (W) que hace el sistema sobre sus alrededores.
Es decir: Q = ΔU + W, o lo que es lo mismo: ΔU = Q – W.
Esta formulación establece que la diferencia entre la energía del sistema y el trabajo efectuado será desprendida del sistema como calor.
Ejemplo de la primera Ley de termodinámica
Imaginemos el motor de un automóvil. La gasolina es un sistema termodinámico que reacciona con el oxígeno generando una chispa que produce una combustión. Esta reacción mueve un pistón que es el responsable del movimiento de las ruedas del automóvil (trabajo). Además, todo el proceso genera calor que sale por el caño de escape.
Si pudiéramos medir la cantidad de combustible consumido, la cantidad de trabajo desempeñado y la cantidad de calor liberado, llegaríamos a la conclusión de que la energía en el motor se ha mantenido constante en el tiempo (no se creó ni destruyó energía).
Segunda Ley de la termodinámica
Este segundo principio establece que “la cantidad de entropía en el universo tiende a incrementarse en el tiempo”, esto es, que el desorden de todos los sistemas incrementa hasta que hayan alcanzado el equilibrio.
Dicho de otro modo: dado el tiempo suficiente, todos los sistemas tienden al equilibrio, que es el estado de máximo desorden, máxima entropía.
Esta ley postula la irreversibilidad de los fenómenos físicos, e introduce la función de estado de entropía (S).
Así como la primera ley relaciona las distintas energías que intervienen en un proceso, la segunda ley impone restricciones a su dirección y un límite superior a la eficiencia de una máquina térmica. Esto quiere decir que ninguna máquina que convierte calor en trabajo puede hacerlo con 100% de eficiencia. Así, la segunda ley es importantísima para muchas aplicaciones de la vida cotidiana y para la industria.
Este principio también se formula clásicamente como que el cambio en la entropía (dS) será siempre igual o mayor a la transferencia de calor (Q), dividido por la temperatura (T) de la fuente que proporciona o absorbe ese calor: dS ≥ δQ / T
Ejemplo de la segunda ley de termodinámica
Ya que esta ley determina la irreversibilidad de los fenómenos físicos, es posible comprobarla fácilmente. Si ponemos dos cuerpos con distintas temperaturas en contacto, luego de cierto tiempo la entropía aumentará y sus temperaturas serán iguales. Si separamos los cuerpos, ambos mantendrán esas temperaturas de equilibrio y no volverán naturalmente a las originales. El proceso es irreversible.
Tercera Ley de la termodinámica
Conocida también como el Postulado de Nerst, esta ley plantea que la entropía de un sistema llevado al cero absoluto es una constante definida:
- Al llegar al cero absoluto (0 K), los procesos de los sistemas físicos se detienen.
- Al llegar al cero absoluto (0 K), la entropía poseerá un valor mínimo constante.
Ejemplo de la tercera ley de termodinámica
Si bien resulta difícil alcanzar de manera cotidiana temperaturas cercanas al llamado cero absoluto (-273,15 °C, valor que nunca se ha alcanzado aún), puede ejemplificarse este principio con lo que ocurre en nuestro congelador: la carne y los alimentos que depositemos allí serán llevados a temperaturas muy bajas, para enlentecer o incluso detener prácticamente los procesos bioquímicos en su interior, retardando su descomposición y maximizando su vida útil.
¿Por qué son importantes las leyes de termodinámica?
Estos cuatro preceptos termodinámicos describen el modo de operar de los sistemas termodinámicos y, por lo tanto, ofrecen una guía aplicable a la comprensión, al menos teórica, de la física universal.
Son fruto de la capacidad analítica del ser humano (no así de la experimentación, son principios teóricos) y al mismo tiempo son el sostén de futuros análisis y consideraciones en la materia.
Referencias:
- “Principios de la termodinámica” en Wikipedia.
- “Las leyes de la termodinámica” en KhanAcademy.
- “Leyes de la termodinámica” en Geofrik’s Blog.
- “Las leyes de la termodinámica en 5 minutos” (Video) en Quantum Fracture.
- “Termodinámica” en JFInternational.
- “Thermodynamics” en TheEnciclopaediaBritannica.
Walther Nernst.
El tercer principio de termodinámica,[nota 1] más adecuadamente postulado de Nernst, afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas. Sucintamente, puede definirse como:
- Al llegar al cero absoluto, 0 K, cualquier proceso de un sistema físico se detiene.
- Al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y acelerado.
Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado de Nernst como «la tercera de las leyes de la termodinámica». Es importante reconocer que no es una noción exigida por la termodinámica clásica por lo que resulta inapropiado tratarlo de «ley», siendo incluso inconsistente con la física estadística clásica y necesitando el establecimiento previo de la estadística cuántica para ser valorado adecuadamente. La mayor parte de la termodinámica no requiere la utilización de este postulado.[1] El postulado de Nernst, llamado así por ser propuesto por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto.
El 14 de marzo de 2017, se publicó en la revista Nature la demostración matemática a cargo de los físicos Lluís Masanes y Jonathan Oppenheim, del Departamento de Física y Astronomía del University College de Londres.
Historia
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La tercera ley fue desarrollada por el químico Walter Nernst durante los años 1906-1912, por lo que se refiere a menudo como el teorema de Nernst o postulado de Nernst. La tercera ley de la termodinámica dice que la entropía de un sistema en el cero absoluto es una constante definida. Esto se debe a que un sistema a temperatura cero existe en su estado fundamental, por lo que su entropía está determinada solo por la degeneración del estado fundamental . En 1912 Nernst estableció la ley así: «Es imposible por cualquier procedimiento alcanzar la isoterma T = 0 {displaystyle T=0} 
Si la entropía de cada elemento en algún estado cristalino (perfecto) se tomáse como cero en el cero absoluto de temperatura, cada sustancia tiene una entropía finita y positiva, pero en el cero absoluto de temperatura la entropía puede llegar a ser cero y eso lo convierte en el caso de una sustancia cristalina perfecta.
If the entropy of each element in some (perfect) crystalline state be taken as zero at the absolute zero of temperature, every substance has a finite positive entropy; but at the absolute zero of temperature the entropy may become zero, and does so become in the case of perfect crystalline substances.
Esta versión manifiesta no solo que ΔS llegará a cero en el 0 K, sino que S mismo también llegará a cero siempre que el cristal tenga un estado fundamental con una sola configuración. Algunos sistemas que poseen varios estados con la misma energía mínima mantienen una entropía positiva incluso en el cero absoluto. Esta entropía residual desaparece cuando se superan las barreras cinéticas a la transición a un estado fundamental.[3]
Con el desarrollo de la física estadística, la tercera ley de la termodinámica (como las otras leyes) pasó de ser una ley fundamental (justificada por experimentos) a una ley derivada (derivada de leyes aún más básicas). La ley básica de la que deriva principalmente es la definición estadístico-mecánica de la entropía de un sistema grande:
S − S 0 = k B ln Ω {displaystyle S-S_{0}=k_{B}ln ,Omega }
donde:
- S es la entropía,
- kB es la constante de Boltzmann, y
-
Ω {displaystyle Omega }
microestados consistentes con la configuración macroscópica.
El recuento de estados es desde el estado de referencia del cero absoluto, que corresponde a la entropía de S0.
El 14 de marzo de 2017, se publicó en la revista Nature la demostración matemática a cargo de los físicos Lluís Masanes y Jonathan Oppenheim, del Departamento de Física y Astronomía del University College de Londres.
Descripción
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En términos simples, el tercer principio[4] indica que la entropía de una sustancia pura y cristalina en el cero absoluto es nula. Por consiguiente, el tercer principio provee de un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. La entropía relativa a este punto es la entropía absoluta.
Un caso especial se produce en los sistemas con un único estado fundamental, como una estructura cristalina. La entropía de un cristal perfecto definida por el teorema de Nernst es cero (dado que el log ( 1 ) = 0 {displaystyle log {(1)}=0} 
Otra aplicación del tercer principio es con respecto al momento magnético de un material. Los metales paramagnéticos (con un momento aleatorio) se ordenarán a medida que la temperatura se acerque a 0 K. Se podrían ordenar de manera ferromagnética (todos los momentos paralelos los unos a los otros) o de manera antiferromagnética.
Véase también
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Notas
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- ↑Third law of thermodynamics—, se usa la palabra «principio» para designar leyes naturales que no pueden demostrarse explícitamente, sin embargo se pueden medir y cuantificar observando los resultados que producen.
En español (como en francés ), a diferencia del inglés —por ejemplo,—, se usa la palabra «principio» para designar leyes naturales que no pueden demostrarse explícitamente, sin embargo se pueden medir y cuantificar observando los resultados que producen.
- ↑Termodinámica: Introducción a las teorías físicas de la termostática del equilibrio y de la termodinámica irreversible. Editorial AC, libros científicos y técnicos, Madrid. ISBN 8472880427.
Callen, Herbert B.. Editorial AC, libros científicos y técnicos, Madrid.
- ↑
«It is impossible for any procedure to lead to the isotherm
T = 0
in a finite number of steps.» Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics, New York, ISBN 0–88318–797–3, page 342.
- ↑Entropy 10 (3): 274-84. Bibcode:2008Entrp..10..274K. doi:10.3390/e10030274.
Kozliak, Evguenii; Lambert, Frank L. (2008). «Residual Entropy, the Third Law and Latent Heat».(3): 274-84.
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En termodinámica clásica, es incorrecta la utilización de la palabra «ley» cuando se hace referencia al Postulado de Nernst, pues se necesita el establecimiento previo de la estadística cuántica para ser valorado adecuadamente [Callen1985]
Bibliografía
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-
Callen, Herbert B. (1985). «Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics». John Wiley & Sons.
- Masanes, Lluís & Oppenheim, Jonathan (2017) A general derivation and quantification of the third law of thermodynamics. Nature.
