10 Características de las
Leyes de la Termodinámica

Te explicamos qué son las Leyes de la Termodinámica, cómo fueron descubiertas y su importancia. Además, ejemplos de cada una.

Permiten comprender el comportamiento de la materia y la energía.

¿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 algunos fenómenos imposibles, como el movimiento perpetuo.

Se trata de las formulaciones más elementales de esta rama de la física.

Características de las leyes de la termodinámica

  1. ¿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.

Esto significa prestar atención a dos formas de energía en particular: el movimiento y la temperatura.

Dicho equilibrio se define como el estado en el que un sistema obedece a las fuerzas y factores que le son intrínsecos, sin contar con intromisiones externas.

  1. Historia

El primer principio termodinámico en establecerse fue obra de Nicolás Léonard Sadi Carnot en 1824. El descubrimiento de Carnot luego se denominó segunda Ley de la termodinámica.

En 1860 este principio fuere-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.

  1. Ley Cero

ley cero de termodinamica
A y C coinciden con la temperatura de B.

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. Este principio permite el uso de un cuerpo físico particular para que coincida con la temperatura de otros cuerpos.

  1. Primera Ley

Se la conoce también 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: “La energía no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse”.

Esto significa que al suministrar una cantidad determinada de calor (Q) a un sistema, su cantidad de energía será igual a la diferencia del incremento de su energía interna (ΔU) más el trabajo efectuado (W) por 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.

  1. Ejemplo de la primera Ley

primera ley de termodinamica
La energía de la gasolina se transforma en movimiento y calor.

Imaginemos el motor de un automóvil. Es un sistema termodinámico al cual ingresa gasolina que reacciona con el oxígeno y la chispa para generar una combustión, liberando calor y transformando el resto de la misma en movimiento (trabajo).

Si podemos medir la cantidad de combustible consumido, la cantidad de trabajo desempeñado y la cantidad de calor liberado, y llegaríamos a la conclusión de que la energía en el motor se ha mantenido constante en el tiempo (no se creó ni destruyó energía).

  1. Segunda Ley

Este segundo principio establece que “la cantidad de entropía en el universo tiende a incrementarse en el tiempo”, esto es, que el gradiente de desorden de todos los sistemas incrementa una vez que éstos hayan alcanzado el equilibrio.

Dicho de otro modo: dado el tiempo suficiente, todos los sistemas tienden al desequilibrio.

Esta ley postula la irreversibilidad de los fenómenos físicos, e introduce la función de estado entropía (S), que representa la pérdida inevitable de la energía.

Es uno de los principios fundamentales de la física y generalmente vincula la entropía al grado de energía no utilizable de un sistema, especialmente si se trata de un cambio de un estado de equilibrio A a un estado de equilibrio B: este último tendrá el más alto grado de entropía posible.

Este principio 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) del sistema:

dS ≥ δQ / T

  1. Ejemplo de la segunda ley

segunda ley de termodinamica
La materia tiende a la dispersión y pérdida de energía.

Ya que esta ley determina la irreversibilidad de los fenómenos físicos, es posible comprobarla fácilmente. Bastaría con quemar una cantidad determinada de papel (10 gramos) y luego juntar la ceniza resultante.

Comprobaremos que el peso de ésta es inferior al de los 10 gramos iniciales, ya que parte de la masa del papel se convirtió en CO2 irrecuperable que tiende a la dispersión y el desorden. Este proceso no podrá revertirse.

  1. Tercera Ley

Conocida también como el Postulado de Nerst, esta ley tiene que ver con la temperatura y con el enfriamiento. Plantea que la entropía de un sistema llevado al cero absoluto es una constante definida. O lo que es lo mismo:

  • 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.
  1. Ejemplo de la tercera ley

Si bien resulta difícil alcanzar de manera cotidiana el llamado cero absoluto (-273,15 °C), 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 así enlentecer o incluso detener prácticamente los procesos bioquímicos en su interior, retardando así su descomposición y maximizando su vida útil.

  1. ¿Por qué son importantes?

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:

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Enciclopedia de Características (2017). "Leyes de la Termodinámica". Recuperado de: https://www.caracteristicas.co/leyes-de-la-termodinamica/


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