Termodinamica

Tema Anterior

Química

Biología

Inicio

Matemáticas

Física

Sig. Tema

Termodinámica

Se llama termodinámica (del griego thermós, “calor” y dynamos, “poder, fuerza”) a la rama de la física que estudia las acciones mecánicas del calor y de otras formas semejantes de energía.

Su estudio aborda los objetos como sistemas macroscópicos reales, mediante el método científico y razonamientos deductivos, prestando atención a variables extensivas como la entropía, la energía interna o el volumen; así como a variables no extensivas como la temperatura, la presión o el potencial químico, entre otros tipos de magnitudes.

Sin embargo, la termodinámica no ofrece una interpretación de las magnitudes que estudia, y sus objetos de estudio son siempre sistemas en estado de equilibrio, es decir, aquellos cuyas características son determinables por elementos internos y no tanto por fuerzas externas que actúan sobre ellos.

Por esa razón, considera que la energía solo puede intercambiarse de un sistema a otro a manera de calor o de trabajo.

El estudio formal de la termodinámica inició gracias a Otto von Guericke en 1650, un físico y jurista alemán que diseñó y construyó la primera bomba de vacío, refutando con sus aplicaciones a Aristóteles y su máxima de que “la naturaleza aborrece el vacío”.

Luego de esta invención, los científicos Robert Boyle y Robert Hooke perfeccionaron sus sistemas y observaron la correlación entre presión, temperatura y volumen. Así nacieron los principios de la termodinámica.

Sistema termodinámico

Se entiende como sistema termodinámico a una parte del universo que, con fines de estudio, se aísla conceptualmente del resto y se intenta comprender de manera autónoma.

Toma nota de los modos en que la energía cambia o se preserva y, al mismo tiempo, de sus intercambios de materia y/o energía con el entorno o con otros sistemas semejantes (de haberlos). Se trata, pues, de un método de estudio de la termodinámica.

El criterio principal de clasificación de estos sistemas se basa en su grado de aislamiento del entorno, distinguiendo así entre:

Sistemas abiertas: Aquellos que intercambian libremente energía y materia con su entorno, como hacen la mayoría de los sistemas conocidos en la cotidianidad. Por ejemplo: un auto. Uno le entrega combustible y éste devuelve al ambiente gases y calor.

Sistemas cerrados: Aquellos que intercambian energía con su entorno, pero no materia. Es lo que ocurre con un envase cerrado, como una lata, cuyo contenido es invariable, pero pierde calor con el tiempo, disipándolo en el aire alrededor.

Sistemas aislados: Aquellos que, hasta cierto punto, no intercambian energía ni materia con el entorno. No existen los sistemas perfectamente aislados, claro está, pero sí hasta cierto grado: un termo que contiene agua caliente preservará su temperatura durante un rato, lo suficiente como para conservarse aislado durante un rato.

Leyes de la termodinámica

Las leyes de la termodinámica (o los principios de la termodinámica) describen el comportamiento de tres cantidades físicas fundamentales, la temperatura, la energía y la entropía, que caracterizan a los sistemas termodinámicos. El término «termodinámica» proviene del griego thermos, que significa “calor”, y dynamos, que significa “fuerza”.

Matemáticamente, estos principios se describen mediante un conjunto de ecuaciones que explican el comportamiento de los sistemas termodinámicos, definidos como cualquier objeto de estudio (desde una molécula o un ser humano, hasta la atmósfera o el agua hirviendo en una cacerola).

Existen cuatro leyes de la termodinámica y son cruciales para comprender las leyes físicas del universo y la imposibilidad de ciertos fenómenos como el del movimiento perpetuo.

Primer Ley

La primera ley se llama Ley de la Conservación de la Energía porque dicta que en cualquier sistema físico aislado de su entorno, la cantidad total de energía será siempre la misma, a pesar de que pueda transformarse de una forma de energía a otras diferentes. O dicho en otras palabras: la energía no puede crearse ni destruirse, solo transformarse.

De ese modo, al suministrar una cantidad determinada de calor (Q) a un sistema físico, su cantidad total de energía podrá calcularse como el calor suministrado menos el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores. Expresado en una fórmula: ΔU = Q – W.

Como ejemplo de esta ley, imaginemos el motor de un avión. Se trata de un sistema termodinámico que consta de combustible que al reaccionar químicamente durante el proceso de combustión, libera calor y efectúa un trabajo (que hace que el avión se mueva). Entonces: si pudiéramos medir la cantidad de trabajo realizado y de calor liberado, podríamos calcular la energía total del sistema y concluir que la energía en el motor se mantuvo constante durante el vuelo: ni se creó ni se destruyó energía, sino que se la hizo cambiar de energía química a energía calórica y energía cinética (movimiento, o sea, trabajo).

Segunda Ley

La segunda ley, también llamada «Ley de la Entropía», puede resumirse en que la cantidad de entropía en el universo tiende a incrementarse en el tiempo. Eso significa que el grado de desorden de los sistemas aumenta hasta alcanzar un punto de equilibrio, que es el estado de mayor desorden del sistema.

Esta ley introduce un concepto fundamental en física: el concepto de entropía (representada con la letra S), que en el caso de los sistemas físicos representa el grado de desorden. Resulta que en cada proceso físico en el que hay una transformación de energía, cierta cantidad de energía no es utilizable, es decir, no puede realizar trabajo.

Si no puede realizar trabajo, en la mayoría de los casos esa energía es calor. Ese calor que libera el sistema, lo que hace es aumentar el desorden del sistema, su entropía. La entropía es una medida del desorden de un sistema.

La formulación de esta ley establece que el cambio en la entropía (dS) será siempre igual o mayor a la transferencia de calor (dQ), dividido por la temperatura (T) del sistema. O sea, que: dS ≥ dQ / T.

Para entender esto con un ejemplo, basta con quemar una cantidad determinada de materia y luego juntar las cenizas resultantes. Al pesarlas, comprobaremos que es menos materia que la que había en su estado inicial: parte de la materia se convirtió en calor en forma de gases que no pueden realizar un trabajo sobre el sistema y que contribuyen a su desorden.

Tercer Ley

La tercera ley plantea que la entropía de un sistema que sea llevado al cero absoluto, será una constante definida. Dicho en otras palabras:

Al llegar al cero absoluto (cero en unidades de Kelvin), los procesos de los sistemas físicos se detienen.

Al llegar al cero absoluto (cero en unidades de Kelvin ), la entropía posee un valor mínimo constante.

Resulta difícil alcanzar cotidianamente el llamado cero absoluto (-273,15 ° C), pero podemos pensar esta ley analizando lo que ocurre en un congelador: los alimentos que depositemos allí se enfriarán tanto, que se ralentizarán o incluso detendrán los procesos bioquímicos en su interior. Por eso se retarda su descomposición y será apto su consumo durante mucho más tiempo.

Ley cero de la termodinámica

La “ley cero” se conoce con ese nombre aunque fue la última en postularse. También conocida como Ley del Equilibrio Térmico, este principio dicta que: “Si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, deben estar también en equilibrio térmico entre sí”. Puede expresarse lógicamente del siguiente modo: si A = C y B = C, entonces A= B.

Esta ley nos permite comparar la energía térmica de tres cuerpos distintos A, B, y C. Si el cuerpo A se encuentra en equilibrio térmico con el cuerpo C (tienen la misma temperatura) y B también tiene la misma temperatura que C, entonces A y B poseen igual temperatura.

Otra forma de enunciar este principio es argumentar que al poner en contacto dos cuerpos con distintas temperaturas, intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan.

Los ejemplos cotidianos de esta ley son fáciles de hallar. Cuando nos metemos en agua fría o caliente, notaremos la diferencia de temperatura solo durante los primeros minutos ya que nuestro cuerpo luego entrará en equilibrio térmico con el agua y no notaremos más la diferencia.

Lo mismo ocurre cuando entramos a una habitación calurosa o fría: notaremos la temperatura al principio, pero luego dejaremos de percibir la diferencia pues entraremos en equilibrio térmico con ella.

Termodinámica química

La termodinámica química es un campo de estudio aparte, centrado en la correlación entre el calor y el trabajo, y las reacciones químicas, todo enmarcado en lo establecido por los principios de la termodinámica.

Es decir, se trata de la aplicación de las leyes de la termodinámica, especialmente de las dos primeras, al mundo de las reacciones entre sustancias y compuestos, para obtener así las llamadas “ecuaciones fundamentales de Gibbs”, las cuales rigen el modo en que la energía química contenida en los distintos compuestos cambia y se transmite, o cómo aumenta el grado de entropía del universo cada vez que una reacción espontánea ocurre.

Actividad. Responde las siguientes preguntas.

Recuerda revisar las respuestas de las preguntas abiertas al final de está página.

1. ¿Qué estudia la termodinámica?

2. ¿Qué tipo de sistemas termodinámicos intercambian energía y materia con su entorno?

3. Qué tipo de sistemas termodinámicos intercambian solo energía con su entorno, pero no materia?

4. ¿Qué tipo de sistemas termodinámicos no intercambian energía ni materia con su entorno?

5. ¿Qué nos dice la Ley Cero de la Termodinámica?

Una vez que des click a este botón, los reactivos se cerraran y no podrás cambiar tu respuesta.

6. ¿Qué variables estudia la termodinámica?

7. ¿Qué es un sistema abierto según la termodinámica?

8. ¿Qué es un sistema aislado según la termodinámica?

9. ¿Por qué la termodinámica solo estudia sistemas en equilibrio?

10. ¿Qué establece la Primera Ley de la Termodinámica?

¿Sigues teniendo dudas?

Te recomendamos visitar el siguiente material para mayor conocimiento o entendimiento sobre el tema:

Respuestas de las preguntas abiertas:

6. La termodinámica estudia variables extensivas como la entropía, la energía interna o el volumen; y variables no extensivas como la temperatura, la presión o el potencial químico, entre otros tipos de magnitudes.

7. Un sistema abierto es aquel que intercambia libremente energía y materia con su entorno, como ocurre en el caso de un auto que recibe combustible y emite gases y calor.

8. Un sistema aislado es aquel que, hasta cierto punto, no intercambia energía ni materia con su entorno. Un ejemplo es un termo que contiene agua caliente y conserva su temperatura durante un tiempo.

9. La termodinámica solo estudia sistemas en estado de equilibrio, es decir, aquellos cuyas características son determinables por elementos internos y no tanto por fuerzas externas que actúan sobre ellos.

10. La Primera Ley de la Termodinámica establece que la cantidad total de energía en un sistema físico aislado de su entorno será siempre la misma, aunque puede transformarse de una forma de energía a otras diferentes.

1. Leskow, E. C. (2024f, octubre 24). Termodinámica - Concepto, leyes y sistema termodinámico. Concepto. https://concepto.de/termodinamica/

7. Salvador FI Facultad de Ingeniería. (2019b, octubre 14). Sistemas termodinámicos |Abiertos, cerrados, aislados| Termodinámica - Salvador FI [Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=U6fB26kIFuQ