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Las leyes de la termodinámica

Las leyes de la termodinámica

Las tres leyes de la termodinámica definen cantidades físicas ( temperatura, energía y entropía ) que caracterizan los sistemas termodinámicos en equilibrio térmico. Las leyes describen cómo se comportan estas cantidades en diversas circunstancias y excluyen la posibilidad de ciertos fenómenos (como el movimiento perpetuo ).

Primera ley de la termodinámica

Las leyes de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se puede crear ni destruir, pero puede convertirla de una forma a otra. Esto también se conoce a veces como la ley de conservación de la energía.

La primera ley de la termodinámica, también conocida como Ley de Conservación de la Energía, establece que la energía no se puede crear ni destruir; La energía solo se puede transferir o cambiar de una forma a otra. Por ejemplo, encender una luz parecería producir energía; Sin embargo, es la energía eléctrica que se convierte.

Esta ley dice que hay dos tipos de procesos, calor y trabajo, que pueden conducir a un cambio en la energía interna de un sistema. Dado que tanto el calor como el trabajo pueden medirse y cuantificarse, esto es lo mismo que decir que cualquier cambio en la energía de un sistema debe dar como resultado un cambio correspondiente en la energía de los alrededores fuera del sistema.

Las leyes de la termodinámica

En otras palabras, la energía no puede ser creada o destruida. Si el calor fluye hacia un sistema o los alrededores sí funcionan, la energía interna aumenta y el signo de q y w es positivo. Por el contrario, el flujo de calor fuera del sistema o el trabajo realizado por el sistema (en los alrededores) será a expensas de la energía interna y, por lo tanto, q y w serán negativos.

Entonces, ¿cómo se aplica esto a nuestra vida cotidiana? Bueno, consideremos la computadora que estás usando en este momento. Está alimentado por energía, pero ¿de dónde vino esa energía? La primera ley de la termodinámica nos dice que esta energía no podría haber surgido de la nada, por lo que vino de algún lado.

Comencemos a rastrear esa energía. Sabemos que nuestra computadora funciona con electricidad, pero ¿de dónde vino esa electricidad? Bueno, vino de una planta de energía. Ahora, esa planta de energía podría haber producido esa electricidad de muchas maneras.

Consideremos un ejemplo donde la planta de energía es una central hidroeléctrica. Entonces, la central hidroeléctrica se asociará con una presa, y esa presa está frenando un río. Un río tiene energía cinética asociada, lo que significa que el río está fluyendo.

Se mueve y tiene energía cinética, ¿verdad? La presa está convirtiendo esa energía cinética en energía potencial, lo que significa que he detenido el flujo del río. Ese río quiere seguir fluyendo y liberar esa energía potencial que la presa está almacenando.

Las leyes de la termodinámica

Cómo funciona una central hidroeléctrica es si podemos liberar parte de esta agua en nuestra central hidroeléctrica, y puedo usar el agua para hacer girar una turbina. Al hacer girar la turbina, puedo alimentar el generador, lo que va a generar electricidad. Esta electricidad se puede conectar por cables desde la planta de energía a su hogar para que cuando conecte el cable de alimentación a la toma de corriente, la electricidad fluya y su computadora pueda funcionar.

Considere lo que sucedió aquí: ya teníamos una cierta cantidad de energía asociada con el agua del río como energía cinética. Lo que sucedió entonces fue que la energía cinética se transformó en energía potencial por la presa. Esa presa luego tomó esa energía potencial y la convirtió en electricidad, que luego pudo viajar a su hogar y alimentar su computadora.

Segunda ley de la termodinámica

Las leyes de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía de cualquier sistema aislado siempre aumenta. Los sistemas aislados evolucionan espontáneamente hacia el equilibrio térmico, el estado de máxima entropía del sistema. En pocas palabras: la entropía del universo (el último sistema aislado) solo aumenta y nunca disminuye.

Una manera simple de pensar en la segunda ley de la termodinámica es que una habitación, si no se limpia y se arregla, invariablemente se volverá más desordenada y desordenada con el tiempo, independientemente de cuán cuidadoso sea mantenerla limpia.

Cuando se limpia la habitación, su entropía disminuye, pero el esfuerzo por limpiarla ha resultado en un aumento de la entropía fuera de la habitación que excede la entropía perdida.


Ahora, la segunda ley de la termodinámica establece que no se puede usar toda la energía. Consideremos otro ejemplo. Supongamos que tiene un automóvil atascado y que estamos tratando de empujarlo por la calle. Cuando empujo el auto, el auto se mueve una cierta distancia y luego se detiene; no solo sigue rodando indefinidamente.

Esta es la segunda ley de la termodinámica en acción: no se puede usar toda la energía. Si se hubiera podido usar toda la energía que apliqué al automóvil, el automóvil podría haber seguido utilizando esa energía cinética hasta que lo detuviera. Sin embargo, sabemos que la energía se pierde lentamente con el tiempo y eso hace que el automóvil se detenga. Cuando empujé el auto, le infundí energía cinética.

Esos neumáticos de goma comenzaron a moverse y continuaron avanzando por la calle. Sin embargo, la goma del neumático está raspando contra el pavimento. A medida que se raspa contra el pavimento, va a producir calor debido a la fricción. El calor es otra forma de energía, pero el calor no es energía cinética.

La tercera ley de la termodinámica.

Las leyes de la termodinámica
La tercera ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema se aproxima a un valor constante a medida que la temperatura se aproxima al cero absoluto. La entropía de un sistema en cero absoluto es típicamente cero, y en todos los casos está determinada solo por el número de diferentes estados fundamentales que tiene.

Específicamente, la entropía de una sustancia cristalina pura (orden perfecto) a temperatura cero absoluta es cero. Esta afirmación es cierta si el cristal perfecto tiene solo un estado con energía mínima.

Ley cero de la termodinámica

Las leyes de la termodinámica

La ley cero de la termodinámica se puede establecer de la siguiente forma:

Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces están en equilibrio térmico entre sí. 

La ley tiene la intención de permitir la existencia de un parámetro empírico, la temperatura, como una propiedad de un sistema de tal manera que los sistemas en equilibrio térmico entre sí tengan la misma temperatura.

La ley como se establece aquí es compatible con el uso de un cuerpo físico particular, por ejemplo, una masa de gas, para igualar las temperaturas de otros cuerpos, pero no justifica la temperatura como una cantidad que se puede medir en una escala de números reales.

Aunque esta versión de la ley es una de las versiones más comunes, es solo una de las diversas declaraciones que los escritores competentes etiquetan como “la ley cero”. Algunas declaraciones van más allá para proporcionar el hecho físico importante de que la temperatura es unidimensional y que uno puede organizar conceptualmente los cuerpos en una secuencia de números reales de más frío a más caliente. 

Quizás no exista una única “mejor declaración posible” de la “ley cero”, porque hay en la literatura una gama de formulaciones de los principios de la termodinámica, cada una de las cuales requiere su respectiva versiones de la ley.

Aunque estos conceptos de temperatura y equilibrio térmico son fundamentales para la termodinámica y se establecieron claramente en el siglo XIX, el deseo de enumerar explícitamente la ley anterior no se sintió ampliamente hasta que Fowler y Guggenheim lo hicieron en la década de 1930, mucho después del primero, segundo, y la tercera ley ya eran ampliamente entendidas y reconocidas.

Por lo tanto, se numeró la ley cero. La importancia de la ley como base para las leyes anteriores es que permite la definición de temperatura de una manera no circular sin referencia a la entropía, su variable conjugada. Dicha definición de temperatura se dice que es ’empírica’.

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Las leyes de la termodinámica
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Las leyes de la termodinámica
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Las leyes de la termodinámica no se basan en la consideración de modelos simplificados de objetos y fenómenos, es decir, son de naturaleza universal y se llevan a cabo independientemente de la naturaleza específica de los cuerpos que forman el sistema macroscópico.
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