LEYES
DE LA TERMODINÁMICA Y SU INTERRELACIÓN CON LOS SERES VIVOS INCLUIDOS LOS SERES
HUMANOS
LEY CERO DE LA
TERMODINÁMICA
A esta ley se le llama de
"equilibrio térmico".
El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas
equilibrados tienen la misma temperatura.
Esta ley dice "Si dos
sistemas A y B están a la misma temperatura, y B está a la misma temperatura que
un tercer sistema C, entonces A y C están a la misma temperatura".
Esta ley también es conocida
como “Ley del Equilibrio Térmico”. “si un cuerpo C inicialmente está en
equilibrio térmico con un cuerpo A y con un cuerpo B, entonces A y B también
están en equilibrio térmico entre sí”. En el universo toda materia que
interactúa energéticamente con otra a diferente temperatura, tendrá la
tendencia de alcanzar la misma temperatura final o de equilibrio con la otra.
Ésto se conoce como “Equilibrio Térmico”. Existen tres mecanismos para alcanzar
el equilibrio térmico:
1. Conducción: La
energía fluye en forma de calor entre dos o más cuerpos que están en contacto
directo a distinta temperatura. POR EJEMPLO: una olla de metal fría
colocada sobre una hornilla caliente de una estufa.
2. Radiación: La
energía se transfiere a través de una radiación electromagnética. POR
EJEMPLO: la luz del sol cuando calienta la atmósfera.
3. Convección: El
traspaso de energía ocurre por el desplazamiento de la masa de un fluido de un
lugar a otro. POR EJEMPLO: los acondicionadores de aire.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La Primera Ley de la
Termodinámica es la ley de conservación de la energía aplicada a los sistemas
termodinámicos. Hay una analogía entre los sistemas termodinámicos y los
sistemas mecánicos conservativos, para los cuales se cumple la ley de
conservación de la energía (mecánica). En un sistema mecánico conservativo se
distinguen dos tipos de energía: cinética y potencial, que se definen en
términos de las velocidades y las posiciones de las partículas que integran el
sistema. La energía mecánica es la suma de ambas, y se mantiene constante en
ausencia de fuerzas exteriores que realicen trabajo sobre el sistema. Si hay
fuerzas externas, el incremento de la energía mecánica es igual al trabajo
realizado sobre el sistema por dichas fuerzas.
La analogía consiste en
imaginar que los sistemas termodinámicos reales son sistemas mecánicos
conservativos cuyas partes (átomos, moléculas, etc.) son demasiado pequeñas
como para ser percibidas. Se supone que si se toman en cuenta los movimientos a
escala microscópica, la ley de conservación de la energía sigue valiendo, pero
que las energías cinética y potencial asociadas con los movimientos puramente
microscópicos se manifiestan en la escala macroscópica del experimento como
calor. Luego, el calor es una forma de energía, y la energía (total) se
conserva. Esta analogía brinda una imagen mental conveniente, y más adelante la
aprovecharemos cuando estudiemos la Termodinámica Estadística. Pero en el
presente contexto su utilidad es escasa, pues no podemos medir las energías en
juego en escala microscópica, y no queremos formular ninguna hipótesis acerca
de la estructura del sistema.
En la Termodinámica clásica no
se puede dar una definición de las energías cinética y potencial microscópicos,
porque no miramos el detalle de la estructura del sistema. Nuestro punto de
vista es que el sistema es una suerte de “caja negra” que no podemos abrir para
ver lo que hay en su interior.
La energía interna de
un sistema es una caracterización macroscópica de la energía microscópica de
todas las partículas que lo componen. Un sistema está formado por gran cantidad
de partículas en movimiento. Cada una de ellas posee:
Energía cinética, por el hecho de
encontrarse a una determinada velocidad
Energía potencial gravitatoria, por
el hecho de encontrarse en determinadas posiciones unas respecto de otras
Energía potencial elástica, por el
hecho vibrar en el interior del sistema
Existen, además, otros tipos de energía
asociadas a las partículas microscópicas tales como la energía química
o la nuclear.
En definitiva, en el interior de
un sistema conviven distintos tipos de energía, asociadas a las partículas
microscópicas que los componen y que forman su energía interna.
EJEMPLO: Movimiento muscular que se transforma en energía mecánica
Segunda ley de la termodinámica
La segunda ley de la
termodinámica, que es una generalización de la experiencia, es una exposición
cuyos artificios de aplicación no existen. Se tienen muchos enunciados de la
segunda ley, cada uno de los cuales hacen destacar un aspecto de ella, pero se
puede demostrar que son equivalentes entre sí. Clausius la enuncio como sigue:
No es posible para una máquina cíclica llevar continuamente calor de un cuerpo
a otro que esté a temperatura más alta, sin que al mismo tiempo se produzca
otro efecto (de compensación). Este enunciado desecha la posibilidad de nuestro
ambicioso refrigerador, ya que éste implica que para transmitir calor
continuamente de un objeto frío a un objeto caliente, es necesario proporcionar
trabajo de un agente exterior.
La segunda ley de la termodinámica es una
generalización de los límites de una
máquina térmica y se basa en el trabajo de
Carnot. Pero para poder llevarla a cabo necesitamos
una idea nueva.
Hemos visto previamente que una máquina
reversible es la máquina más
eficiente. Cualquier otra máquina no es
tan eficiente. Para formular esa idea de manera
general y precisa, debe introducirse un nuevo concepto: la entropía. El cambio
de entropía de un sistema, ΔS, se define como la energía neta transferida
como calor, ΔQ, ganada o perdida por el sistema, dividida por la
temperatura (en Kelvin) del sistema,
T: ΔS = ΔQ/T
Donde el segundo miembro de la igualdad entronca
directamente con lo que vimos del ciclo de Carnot.
Es importante señalar que, por la forma en la que la hemos definido esta
expresión es solamente válida para sistemas cerrados y procesos reversibles
(ideales).
Cuando introdujimos el concepto de máquina reversible
ideal vimos que una máquina de este tipo trabaja
en un ciclo entre cuerpos calientes y fríos (como cualquier motor térmico). Una
máquina que trabaje de esta manera debe tener la misma entropía al final de un
ciclo que tiene al principio. Esto se debe a que, al final del
ciclo, T vuelve a su valor inicial, y la energía transferida como
calor o trabajo cedidos en una parte del ciclo deben ganarse en el resto del
ciclo; por lo tanto ΔQ en el conjunto durante todo el ciclo es cero.
Como el cambio de entropía se define como ΔS = ΔQ/T, el cambio de
entropía durante un ciclo es también cero, ΔS = 0.
“La energía del universo permanece
constante, pero su entropía tiende a un máximo.”
Y todo ello sin entrar a describir qué es
energía o entropía más allá de las definiciones macroscópicas que hemos
empleado.
EJEMPLO: Distribuir toda la energía almacenada en una sola fibra
muscular
Un
cristal “perfecto” es aquel que está en equilibrio termodinámica. En
consecuencia, comúnmente se establece la tercera ley en forma más general,
como: La entropia de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico
tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero.
La tercera ley de la termodinámica,
a veces llamada teorema de Nernst o Postulado de Nernst,
relaciona la entropía y
la temperatura de
un sistema físico.
La tercera ley de la termodinámica afirma que no se puede
alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas. La tercera ley de la termodinámica también se
puede definir como que al llegar al cero absoluto, 0 grados kelvin, cualquier proceso
de un sistema físico se detiene y que al llegar al cero absoluto la entropía alcanza
un valor mínimo y constante.
Este principio establece que la entropía de un sistema a
la temperatura del cero absoluto es una constante bien definida. Esto se debe a
que, a la temperatura del
cero absoluto, un sistema se encuentra en un estado básico y los incrementos
de entropía se
consiguen por degeneración desde este estado básico.
El teorema de Nernst establece que la entropía de un
cristal perfecto de un elemento cualquiera a la temperatura de
cero absoluto es cero. Sin embargo, esta observación no tiene en cuenta que los
cristales reales han de ser formados a temperaturas superiores a cero. En
consecuencia, tendrán defectos que no serán eliminados al ser enfriados hasta
el cero absoluto. Al no ser cristales perfectos, la información necesaria para
describir los defectos existentes incrementará la entropía del
cristal.
Teoremas y enunciados de la tercera ley de la
termodinámica
Terorema de Nernst: Una reacción química entre fases
puras cristalinas que ocurre en el cero absoluto no produce ningún cambio
de entropía.
Enunciado de Nernst-Simon: El cambio de entropía que resulta de
cualquier transformación isoterma reversible de un sistema tiende a cero según
la temperatura se aproxima a cero.
EJEMPLO:
Ningún proceso metabólico puedes realizarse en cero
absoluto
https://novuelvoaengordar.com/tag/primera-ley-de-la-termodinamica/
Bibliografía
Fernández, J. (s.f.). Física
Lab. Obtenido de
https://www.fisicalab.com/apartado/primer-principio-termo#contenidos
Experientia Docet. (18 de julio de 2017). Cuaderno de cultura cientíifica.
Obtenido de
https://culturacientifica.com/2017/07/18/la-segunda-ley-la-termodinamica/
Energía Solar. (12 de abril de 2018). Energía Solar. Obtenido de https://solar-energia.net/termodinamica/leyes-de-la-termodinamica/tercera-ley-termodinamica
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