Suena muy bien poder decir a tus amigos que estás estudiando termodinámica en física, aunque probablemente no conozcas que significa esto en exactitud. La palabra termo ,en lengua griega, se traduce como caliente. Por otro lado, dinámica también debe su existencia a los griegos: significa fuerza o potencia. Ahora, puedes presumir ante tus amigos de que la termodinámica es el estudio de... ¿fuerzas calientes? La respuesta es un poco más complicada que eso, y ahí es donde entra en juego el calor.
La termodinámica es el estudio del calor, la temperatura y el trabajo y cómo se relacionan con otras propiedades físicas de la materia —como la energía interna, la entropía, la presión, etc—.
El cambio en cualquiera de estas cantidades suele provocar cambios en las demás. Es por eso que utilizamos el término de dinámica en termodinámica. En este artículo aprenderemos los fundamentos de la termodinámica y cómo se aplica a la vida cotidiana.
¿Qué es la termodinámica?
Nicolas Léonard Sadi Carnot es considerado el fundador de la termodinámica. Pero, ¿a qué nos referimos con exactitud cuando hablamos de termodinámica? Sería bastante difícil dar una definición exacta de la termodinámica, ya que es el estudio de muchas magnitudes interrelacionadas; pero, una definición sencilla sería una similar a la que hemos mencionado anteriormente, como esta:
La termodinámica es la rama de la física que estudia el calor, la temperatura y el trabajo, y cómo estas magnitudes se relacionan entre sí y con otras propiedades físicas de la materia.
Muchas veces, solemos considerar la materia que está en forma de gas, más concretamente, un gas ideal. Pero, ¡la termodinámica es aplicable a todas las fases de la materia!
Si medimos cada una de las variables —por ejemplo, temperatura, presión, energía, etc.— que describen un objeto/sustancia en un momento determinado, podemos decir que el objeto se encuentra en un estado concreto.
Si cambia el valor de alguna de esas magnitudes, cambia también el estado de la sustancia. Esto se denomina un proceso termodinámico.
En este caso, la sustancia también puede denominarse sistema, y estas magnitudes que describen el estado se conocen como funciones o variables de estado.
Ley cero de la termodinámica
En termodinámica tenemos cuatro leyes fundamentales:
- La ley cero, que nos habla acerca del equilibrio termodinámico.
- La primera ley, acerca de la conservación de la energía.
- La segunda ley, que habla de los procesos reversibles e irreversibles y el concepto de energía.
- La tercera ley, acerca del cero absoluto.
En este artículo hablaremos de las tres que hemos mencionado primero.
La ley cero de la termodinámica nos habla acerca del equilibrio térmico.
La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio con un tercer cuerpo, estos dos cuerpos también se encontrarán en equilibrio térmico; es decir, no habrá transferencia de calor de un cuerpo a otro.
Esta ley es muy sencilla de entender con un ejemplo:
Imaginemos que dos cuerpos A y B están ambos a la misma temperatura; por ejemplo, \(35^{\circ}\). Si introducimos un tercer cuerpo C, que si lo ponemos en contacto con el cuerpo B no haya transferencia de calor —y, por tanto, esté también a \(35^{\circ}\)— esto significará que tampoco existirá transferencia de calor con el cuerpo A.
Fig. 1: La ley cero de la termodinámica nos habla del equilibrio térmico entre cuerpos. Esto se traduce a que si los cuerpos están equilibrio térmico, no habrá transferencia de calor entre ellos y, por tanto, tendrán la misma temperatura.
Primera ley de la termodinámica
En términos sencillos, la primera ley de la termodinámica es una declaración de la ley de conservación de la energía. Esta ley nos dice que la energía no puede crearse ni destruirse, únicamente puede convertirse de una forma a otra.
La primera ley de la termodinámica afirma que el aumento de la energía interna de cualquier sistema termodinámico es igual a la suma de la energía térmica añadida al sistema y el trabajo realizado sobre el sistema.
Puedes ver los conceptos de energía interna y energía térmica, más detalle, en otros artículos correspondientes de StudySmarter.
Matemáticamente, la primera ley puede representarse como:
\[\Delta U=Q+W,\]
Donde:
- \(\Delta U\) es el aumento de energía interna.
- \(Q\) es el calor o energía térmica.
- \(W\) es el trabajo realizado sobre el sistema.
En ocasiones, existe cierta confusión acerca de cuando la energía sale del sistema, en lugar de entrar. Por ello, también podemos adoptar la siguiente convención de signos para simplificar las cosas :
\(Q>0\) se añade energía térmica al sistema.
\(Q<0\) se elimina energía térmica del sistema.
\(W>0\) se realiza trabajo sobre el sistema.
\(W<0\) el sistema realiza trabajo.
La convención de signos pone un signo negativo en los valores de las cantidades que indican que la energía sale del sistema. Los valores son positivos si entra energía en el sistema.
Un valor positivo para el trabajo realizado significa que una fuerza externa realiza trabajo sobre el sistema y que su energía interna aumenta.
Imagina un gas que está atrapado por un pistón móvil en un cilindro. Si el gas se calienta y se expande, ejercerá presión sobre el pistón y hará que se mueva. Entonces, gana energía térmica, \(Q>0\) al calentarse; pero, pierde energía al realizar trabajo contra el pistón \(W<0\) y el cambio en la energía interna del gas \(\Delta U\) puede calcularse utilizando la primera ley
Toda la energía térmica introducida en el gas no se utilizará necesariamente para realizar trabajo mecánico sobre el pistón, por lo que es probable que cambie la energía interna.
Segunda ley de la termodinámica
La segunda ley de la termodinámica se puede expresar de distintas maneras equivalentes. Clausius fue el primero en enunciarla en 1850, así:
Es imposible que una máquina autónoma, sin ayuda de algún agente externo, transfiera calor de un cuerpo a otro más caliente.
Más tarde, en 1851, Kelvin propone un nuevo enunciado para la segunda ley:
Es imposible construir un dispositivo que, utilizando un fluido inerte, pueda producir trabajo efectivo causado por el enfriamiento del cuerpo más frío de que se disponga.
Estos enunciados describen cómo los procesos se producen en una dirección o sentido preferente de manera espontánea. Si queremos el proceso inverso, debemos de aplicar un agente externo. Esta división nos lleva a la siguiente clasificación:
- Procesos reversibles: cualquier proceso en el cual la dirección pueda invertirse en cualquier punto, mediante un cambio en las condiciones externas.
- Procesos irreversibles: cualquier proceso en el cual el sistema y sus alrededores no puedan volver a su estado inicial.
Entropía y la segunda ley de la termodinámica
Es posible que en algún momento hayas oído la palabra entropía y que también la hayas descrito como la medida del desorden o aleatoriedad de un sistema termodinámico. Esta definición es bastante útil para hacernos una idea intuitiva sobre de qué trata el concepto de entropía; pero, también podemos dar una definición más rigurosa de este concepto.
La entropía \(S\) de un sistema termodinámico es la cantidad de energía por unidad de temperatura que no está disponible para realizar un trabajo útil.
- Se mide en unidades SI de joules por Kelvin \(J\cdot K^{-1}\)
Para entenderlo mejor, imagina que sostienes un huevo. Pero, en cierto punto, se te escapa de las manos y, a pesar de los intentos desesperados por cogerlo, cae al suelo y se rompe. Trozos de yema y cáscara quedan esparcidos por todas partes.
Si consideras que el huevo está en un sistema cerrado, la energía cinética que ganó al convertir su energía potencial gravitatoria inicial se convirtió en calor, ruido, etc. Esas formas de energía no pudieron utilizarse para realizar un trabajo útil y la entropía aumentó, aunque la propia energía se conservara.
Ten en cuenta que:
- La entropía de un proceso irreversible en un sistema cerrado siempre aumenta.
- La entropía de un proceso reversible en un sistema cerrado permanece constante.
Esto nos lleva al enunciado de la segunda ley de la termodinámica.
La segunda ley de la termodinámica afirma que la entropía de cualquier sistema cerrado nunca puede disminuir; únicamente puede permanecer constante o aumentar.
Esto significa que la entropía total del universo ¡siempre está aumentando! Muchos físicos creen que el universo acabará sucumbiendo a la muerte por calor, pues no quedará energía para realizar un trabajo útil; es decir, se llegará al punto en el que la entropía ya no podrá aumentar.
Procesos termodinámicos
Un proceso termodinámico es el conjunto de cambios que lleva a un sistema termodinámico de un estado a otro. Es decir: el trabajo realizado o la transferencia de energía térmica modificarán el volumen, la presión, la entropía, etc. de dicho sistema.
Hay distintos tipos de procesos que pueden utilizarse juntos para crear un proceso termodinámico. Sin entrar en el detalle de cada uno, algunos de estos procesos son:
Procesos isotérmicos: se producen a temperatura constante.
Procesos isobáricos: se producen a presión constante.
Procesos isovolumétricos: ocurren a volumen constante.
Si tenemos un conjunto de procesos (todos ellos diferentes) que se enlazan entre sí para devolver finalmente el sistema a su estado original, estamos hablando un ciclo termodinámico.
Veamos a continuación un ejemplo que muestra la relación entre la presión y el volumen de un sistema termodinámico:
Tres procesos \(AB\), \(BC\) y \(CA\) se representan mediante curvas en un gráfico de presión frente a volumen para algún sistema termodinámico. Este diagrama termodinámico se denomina diagrama PV, ya que en él intervienen la presión y el volumen:
Fig. 3: El diagrama PV de un ciclo termodinámico muestra tres procesos que cambian el estado del sistema de \(A\) a \(B\) a \(C\) y, luego, de nuevo a \(A\). Se denomina ciclo, porque el sistema vuelve a su estado original.
- Un proceso isovolumétrico lleva al sistema, a volumen constante, de estado\(A\) al estado \(B\).
- A continuación, un proceso isobárico a presión constante lleva al sistema de estado \(B\) a estado \(C\).
- Por último, un proceso adiabático lleva al sistema de vuelta, de estado \(C\) a su estado original \(A\).
- El conjunto de procesos lleva, finalmente, al sistema de vuelta a su estado original, por lo que representan un ciclo termodinámico.
Diagramas PVT en termodinámica
Hemos visto que un diagrama bidimensional de presión frente a volumen nos da un diagrama PV, pero existen diagramas más complejos.
Podemos trazar la presión, el volumen y la temperatura en un sistema de coordenadas tridimensional para interpretar la relación entre las tres variables termodinámicas; a esto lo llamamos diagrama PVT.
Esto queda fuera del alcance de este curso, pero es importante señalar que el diagrama PVT proporciona más información que un diagrama PV. La Fig. 4 muestra un diagrama PVT para una sustancia que se expande al congelarse, como el agua.
Fig. 4: Diagrama PVT del agua.
Ejemplos de sistemas termodinámicos
Ahora que ya conocemos qué es la termodinámica y de qué trata, podemos poner a prueba nuestra comprensión de lo que hemos tratado hasta ahora.
Un sistema está experimentando un proceso termodinámico. Durante este proceso, entra \(250\,\mathrm{J}\) de energía térmica en el sistema, ya que se calienta. El sistema realiza un trabajo de \(350\,\mathrm{J}\) sobre el entorno. Calcula el cambio en la energía interna del sistema.
Solución:
La energía térmica entra en el sistema, lo que significa que \(Q>0\), dado que este gana energía. A continuación, el sistema pierde energía \(W<0\), en forma de trabajo realizado
Podemos utilizar la primera ley de la termodinámica para hallar el cambio en la energía interna del sistema durante este proceso:
\[\begin{align} \Delta U&=Q+W\\ &=250\,\mathrm{J}+(-350\,\mathrm{J}) \\ &=-100\,\mathrm{J} \end{align}\]
El signo menos indica que la energía interna del sistema disminuye en \(100\,\mathrm{J}\). Se pierde más energía de la que se gana.
Veamos ahora un ejemplo que incluye un diagrama PV.
Una masa fija de un gas ideal experimenta un proceso isovolumétrico \(AB\) a un volumen constante de \(3,0\cdot 10^{-4}\,\mathrm{m^3}\). Durante este proceso, la presión del gas aumenta y no se realiza ningún trabajo sobre o por el gas durante este proceso. Una energía térmica de \(600\,\mathrm{J}\) entra en el gas durante \(AB\). Calcula el cambio en la energía interna del gas durante este proceso.
El diagrama PV para este proceso se muestra a continuación:
Fig. 5: Diagrama PV para el proceso isovolumétrico del gas ideal del ejemplo.
Solución
El gas no realiza ningún trabajo, ni se realiza ningún trabajo sobre él, ya que su volumen permanece constante. Por tanto:
\[W=0\,\mathrm{J}.\]
De energía térmica, sabemos que entran \(600\,\mathrm{J}\) en el gas. Aplicando la primera ley de la termodinámica:
\[\begin{align} \Delta U&=Q+W \\, &=600\,\mathrm{J}+0\,\mathrm{J} \\ &=600\,\mathrm{J} \end{align}\]
El cambio de energía interna es positivo, lo que significa que la energía interna del gas aumenta en \(600\,\mathrm{J}\).
Aplicaciones de la termodinámica
Una de las aplicaciones más comunes de la termodinámica existe en las centrales eléctricas. Las centrales nucleares, de carbón e, incluso, geotérmicas utilizan distintos métodos para calentar el agua. Cuando se calienta, el agua en estado líquido se expande y se convierte en vapor. Su volumen aumenta y, por tanto, es capaz de realizar trabajo en las turbinas que generan electricidad.
Fig. 5: Cental nuclear en Dukovany.
Otra aplicación de la termodinámica es la refrigeración y el aire acondicionado, en los que la temperatura de un entorno cerrado puede controlarse mediante el control de la energía interna de ese entorno.
Está claro, pues, que la termodinámica ocurre a nuestro alrededor y las aplicaciones son demasiadas para detallar todas.
Termodinámica - Puntos clave
La termodinámica es una rama de la física que estudia el calor, la temperatura y el trabajo, y cómo estas magnitudes se relacionan entre sí y con otras propiedades físicas de la materia.
Si medimos cada una de las variables —por ejemplo: temperatura, presión, energía, etc.— que describen un objeto/sustancia en un momento determinado, podemos decir que el objeto se encuentra en un estado concreto.
Si cambia el valor de alguna de esas magnitudes, cambia también el estado de la sustancia. Esto se denomina un proceso termodinámico.
La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio con un tercer cuerpo, estos dos cuerpos también se encontrarán en equilibrio térmico; es decir, no habrá transferencia de calor de un cuerpo a otro.
La primera ley de la termodinámica enuncia que el aumento de la energía interna de cualquier sistema termodinámico es igual a la suma de la energía térmica añadida al sistema y el trabajo realizado sobre el sistema, \(\Delta U=Q+W\).
La entropía de un sistema termodinámico es la cantidad de energía por unidad de temperatura que no está disponible para realizar un trabajo útil.
Algunos procesos termodinámicos son:
- Procesos isotérmicos.
- Procesos isobáricos.
- Procesos isovolumétricos.
- Procesos adiabáticos.
Un ciclo en termodinámica es un conjunto de procesos, todos ellos diferentes, que se enlazan para devolver finalmente el sistema a su estado original.
Un diagrama PVT traza la presión, el volumen y la temperatura en un sistema de coordenadas tridimensional, para interpretar la relación entre las tres variables termodinámicas.
References
- Fig. 4: P-V-T Diagram (Water).es (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:P-V-T_Diagram_(Water).es.svg) by McZusatz (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:McZusatz) is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
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