LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

 

Cuando dos cuerpos u objetos A y B se encuentran en equilibrio térmico con un tercer cuerpo C, entonces estos dos cuerpos A y B están en equilibrio mutuamente, esto es lo que establece la ley cero de la termodinámica.

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Esta, como las demás leyes de la termodinámica, tiene implicaciones que permiten enunciar la ley de otras maneras, por ejemplo, la ley cero implica que dos sistemas están en una relación de equilibrio térmico si no transfieren calor entre ellos y permanecen en el mismo estado cuando se conectan por una pared que permea solo el calor.

 

ENERGÍA INTERNA

La energía interna corresponde a la interpretación macroscópica de la contribución total de energía de las partículas microscópicas que componen cierto objeto o sustancia. Entre las formas de contribución de las partículas a  la energía interna están la energía cinética, la energía potencial gravitacional y la energía potencial elástica como las formas más representativas.

 
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Puede pensarse que todo lo que hacen las partículas que componen un objeto tiene  repercusiones o consecuencias como sistema y que se ven con claridad a nivel macroscópico o a grandes escalas, y la energía que ellas posean, por moverse, por tener masa y por atraerse y repelerse unas a otras, dan lugar a la energía interna.

PRIMERA LEY DE

LA TERMODINÁMICA

 

La primera ley de la termodinámica enuncia que cuando se transfiere calor o se realiza trabajo sobre un sistema la energía interna de ese sistema cambia.

Si Q es la energía que se le da al sistema cuando se transfiere calor y W es la energía que utiliza el sistema para hacer trabajo, el cambio de energía interna del sistema será la diferencia de ambas magnitudes:

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Ese cambio de energía se obtiene entre un estado de energía final Uf y un estado de energía inicial Ui, por lo que la expresión de la primera ley de la termodinámica se escribe también:

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Es importante resaltar que hay dos criterios para definir el signo de la expresión de la energía. El criterio IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) y el criterio tradicional. Para la IUPAC todo lo que aumenta la energía interna del sistema es positivo, entonces la trabajo hecho sobre el sistema y el calor cedido al sistema son positivos, mientas que tradicionalmente se considera que el trabajo que se hace sobre el sistema es negativo y el trabajo que hace el sistema y el calor que absorbe son positivos.

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Por tener muchas implicaciones y consecuencias, las leyes de la termodinámica pueden enunciarse de distintas maneras, la primera ley puede enunciarse como:

  1. El calor es una forma de energía que puede obtenerse del trabajo mecánico y puede transformarse en trabajo.

  2. Es imposible construir una maquina perpetua, pues no existe una máquina que pueda producir trabajo incesantemente sin consumir una cantidad equivalente de energía de otra clase.

  3. La cantidad de calor Q suministrada a un sistema es equivalente a un incremento en la energía interna y en el trabajo que puede efectuar.

Si una maquina térmica transformara cíclicamente en trabajo todo el calor que absorbe, entonces tienen un rendimiento del 100 %; sin embargo la experiencia muestra que es imposible una maquina o dispositivo que no ceda calor a los alrededores.

TRANSFORMACIÓN DE CALOR EN TRABAJO

El calor puede generar trabajo por varios efectos, uno de los cuales, muy representativo, es el trabajo realizado por el incremento de presión de vapor o de un gas. Cuando se produce vapor, o un incremento en la energía de un gas, se desarrolla trabajo por el aumento del volumen consecuente de la expansión del gas.

Es necesario definir lo que son los procesos reversibles e irreversibles.

PROCESO REVERSIBLE: Los procesos reversibles son aquellos procesos que pueden suceder en sentido contrario, de forma que del estado final se puede llegar al estado inicial con recuperación de trabajo o calor sin alterar las condiciones del exterior.

PROCESO IRREVERSIBLE: A diferencia de los procesos reversibles, en los irreversibles es imposible ir del estado final al estado inicial sin aplicar energía adicional al proceso de ir del estado inicial al final.

TRABAJO TERMODINÁMICO

El trabajo termodinámico corresponde a la transferencia de energía que se da entre un sistema y el entorno por medio de métodos que no dependen de la diferencia en las temperaturas.

Un gas contenido en un recipiente puede realizar trabajo sobre un pistón al desplazarlo por los efectos de la presión. El trabajo realizado por el gas del caso mencionado será:

 
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En este caso se ha tomado la interpretación tradicional para el signo del trabajo, como es el gas el que está haciendo el trabajo de mover el pistón, entonces el signo es positivo.

En general, en una gráfica de presión vs volumen el trabajo realizado entre dos estados del gas se encuentra calculando el área debajo de la curva.

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En un proceso cíclico el trabajo total realizado se puede encontrar como la diferencia entre las áreas bajo las curvas del proceso cuando aumenta el volumen y cuando disminuye.

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El trabajo y el calor intercambiado en un proceso para ir desde un estado a otro determinan el camino de ese proceso. Si para ir desde un estado A hasta un estado B se intercambia calor y trabajo de dos formas diferentes, el camino recorrido en una gráfica de presión en función del tiempo sería diferente para cada proceso.

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Proceso adiabático: Cuando no hay  calor intercambiado (Q = 0) se dice que los procesos son adiabáticos, y en consecuencia la energía interna se convierte en una función de estado, solo depende de los estados final e inicial del trabajo realizado.

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PROCESOS TERMODINÁMICOS

Proceso isocórico o isovolumétrico: Los procesos isovolumétricos ocurren cuando el volumen del sistema permanece constante (V = Cte), lo que significa que el trabajo realizado por el sistema es igual a cero y el cambio en la energía interna depende solo del calor intercambiado.

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Proceso isobárico: En los procesos isobáricos la presión se mantiene constante (P = Cte) y en consecuencia la energía interna depende tanto del calor intercambiado como el trabajo realizado por o para el sistema, además se define la entalpia como el flujo de energía térmica en los procesos a presión constante.

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Procesos isotérmicos: Un proceso isotérmico corresponde al proceso en el que la temperatura del sistema permanece constante. La primera consecuencia de los procesos isotérmicos es que el cambio de energía interna del sistema será cero y por tanto el trabajo y el calor intercambiado serán iguales.

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SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

 

La segunda ley  la termodinámica se puede definir de diferentes maneras debido a las múltiples implicaciones que tiene.

Definición de Kelvin-Planck: “no es posible un proceso que convierta todo el calor absorbido en trabajo”.

Definición de Clausiois: “No es posible un proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un cuerpo frio a otro mas caliente”.

O bien la segunda ley de la termodinámica determina que “la cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo”.

Para entender el segundo principio de la termodinámica es necesario reviar el siguiente diagrama:

En el diagrama se ve lo que se conoce como ciclo de Carnot, descrito y estudiado por el ingeniero frances Sadi Carnot en 1824. El ciclo describe un proceso basado en dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas.

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En la expansíon isotérmica  (Del punto A al B) el trabajo es tanto menor como es baja la temperatura (el trabajo es directamente proporcional al cambio de volumen y a la presión, si estos bajan baja el trabajo). Cuando el sistema expande su volumen tiende a perder temperatura, pero como en el ciclo la temperatura se mantiene constante, entonces el sistema absorbe calor para mantener esa temperatura, y de la primera ley de la termodinámica  si no cambia la temperatura el cambio de la energía interna es cero y todo el calor se convierte en trabajo.

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Por su parte la expansión adiabática (Del punto B al C) donde no hay perdida ni ganancia de calor, comienza donde termina la expasión isotérmica  bajando la temperatura hasta llegar a la T2 del ciclo mientras se expande, en otras palabras, el sistema se enfría hasta alcanzar el volumen máximo. Como disminuye la temperatura del sistema entonces disminuye también su energía interna, luego:

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Entonces el sistema realiza trabajo.

 

Con la compresión isotérmica (Desde C hasta D) el sistema cede calor a la fuente térmica para mantenerse a temperatura T2 mientras se comprime (al comprimirse tiende a aumentar la temperatura). Al no haber cambio en la temperatura no hay cambio tampoco en la energía interna, lo que en consecuencia hace ver que es necesario hacer trabajo sobre el sistema para comprimirlo.

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Entonces se realiza trabajo sobre el sistema.

Finalmente la compresión adiabática (Desde D hasta A) se desarrolla sin intercambio de calor, en este proceso el sistema sigue perdiendo volumen, y como no se deja escapar el calor la temperatura termina incrementando hasta llegar a T1. Habiendo un cambio de temperatura de menor temperatura a mayor, habrá también un cambio en la energía interna positivo.

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Entonces se realiza trabajo sobre el sistema.

El ciclo de carnot es el ciclo termodinámico ideal de una máquina térmica que consiste en la absorción de calor Q1 de una fuente de mayor temperatura y cede calor Q2 a otra de menor temperatura produciendo trabajo sobre el exterior. El reandimiento de una máquina de este tipo se expresa como:

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La eficiencia de una máquina de Carnot es mayor que cualquier máquina que funcione con las mismas fuentes de temperatura.

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Las máquinas térmicas generalmente tienen una fuente de calor a mayor temperatura que la de la misma máquina, y otra de menor temperatura denominada a veces sumidero, el calor fluye desde la fuente de mayor temperatura hacia la de menor temperatura dando como resultando trabajo realizado hacia el exterior en el proceso. Una máquina ideal trabaja de esta forma, aunque realmente siempre hay perdidas por otros medios.

Una máquina que funcione con el ciclo de Carnot puede ser como la que se muestra en la imagen.

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La máquina consiste en una bomba horizontal que aspira calor del espacio caliente R1 con temperatura T1 y lo inyecta al espacio frio R2 con temperatura T2 por una ventana permeable en un extremo, además la bomba es completamente adiabatica en cualquier otro punto.

La bomba puede desplazarse sobre la pared lateral del depósito de calor que consta de dos partes permeables al calor A y C y dos impermeables B y D.

  1. En el proceso de expansión isotérmica el pistón de la bomba se expande haciendo que el gas dentro de la bomba absorba calor del espacio R1 a Temperatura T1 para no reducir su temperatura, entonces realiza trabajo.

  2. En el proceso de expansión adiabática el pistón de la bomba se sigue expandiendo pero esta vez en la región de impermeabilidad, por lo que al expandirse la temperatura del gas en el pistón disminuye por el incremento de volumen pero continua realizando trabajo.

  3. Cuando la bomba llega a la región permeable el gas cede calor al sumidero, o espacio R2, mientras reduce el volumen por el movimiento del pistón, en consecuencia la temperatura del gas se mantiene constante en T2 en un proceso de compresión isotérmica. En ese punto es necesario realizar trabajo sobre el sistema para conseguir la compresión.

  4. En el proceso de compresión adiabática la bomba llega a la región de impermeabilidad de calor y continua comprimiéndose. Como no hay intercambio de calor, una vez más debe realizarse trabajo sobre el sistema empujando el émbolo del pistón para llegar a la temperatura T1 .

 

Es imposible construir una máquina térmica que no tenga un sumidero, es necesario que exista una diferencia de temperatura para que el calor fluya a través de la máquina. Es aquí donde aparece la segunda ley de la termodinámica, es imposible construir una máquina sin sumidero de calor porque no es posible convertir todo el calor absorbido en trabajo.

Una forma general de establecer esa imposibilidad dada por la segunda ley de la termodinámica es definir la entropía.

ENTROPÍA

La entropía es una variable termodinámica de estado que mide el grado de organización del sistema. La entropía hace una descripción de los procesos irreversibles en los sistemas termodinámicos y media el incremento de la energía interna frente a un incremento en la temperatura del sistema. En palabras muy simples y exclusivas la entropía dice que tan ordenado está un sistema.

La entropía es finalmente una interpretación de la segunda ley de la termodinámica y es que se ve por las distintas  definiciones de la ley que en las máquinas térmicas y en la naturaleza, todos los procesos naturales espontáneos evolucionan para aumentar la entropía, para reducirla se requiere trabajo como se ve en la máquina de Carnot.

 

TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

 

La tercera ley de la termodinámica fue descrita primeramente por Walther Nernst y establece que en el cero absoluto, a temperatura de 0 Kelvin cualquier proceso de un sistema físico se detiene y la entropía se vuelve mínima.