Hace años había escrito un pequeño libro de termodinámica y me gustaba mucho esta disciplina que tiene enlaces con un gran parte de la física. Después le he olvidado un poquito porque, con la edad, mis centros de interés han cambiado. Pero hace poco, un niño de 13 años, muy maduro, me ha dado la gana de escribir algo sobre este tema.
¡Gracias Roberto!
La oportunidad fue que, hablando con este chico, el me dice “Si viven juntos un tonto y un listo el listo va convertirse más tonto, y no el contrario”. No quiero discutir aquí la veracidad de esta opinión (no es absurdo de pensar eso), pero instantáneamente he pensado al segundo principio de la termodinámica, que nos enseña que los intercambios de energía no se pueden hacer en cualquier sentido. Por ejemplo, si ponemos una barra de hierro caliente sobre una barra de hierro fría, jamás veremos la barra fría enfriarse más. En este intercambio de calor hay un sentido obligatorio. Vamos a ver abajo que son los tres principios de la termodinámica, por los que le habrían olvidado.
El fin de la termodinámica es el estudio de un conjunto de cuerpos, llamado sistema y su evolución en función de los cambios de energía con todo lo que no pertenece al sistema, y que constituye el medio exterior.
Primer principio de la termodinámica
Para empezar el tema, hay que definir lo que llamamos “energía interna de un sistema”.
Imaginamos un sistema de partículas aislado del exterior (no hay ningún intercambios con el exterior). Estas partículas están siempre animadas que sea con vibraciones en el caso de un sólido o de movimientos desordenados en caso de liquido o gases. A estos movimientos, asociamos una forma de energía, que caracteriza la velocidad, y que se llama energía cinética. Pero se puede también que existirían fuerzas de interacción entre estas partículas. Por ejemplo, si imaginamos dos partículas ligadas por un resorte, es claro que cada una de los dos es sometida por parte de la otra a una fuerza de atracción. Llamamos energía de interacción la energía correspondiente.
Por definición, la suma de la energía cinética y de la energía de interacción se llama energía interna del sistema aislado.
Ahora, imaginamos que el sistema va intercambiar trabajo y/o calor con el medio exterior (intercambiar significa dar o recibir). El sistema no queda aislado y su energía interna, que era U0 varia hasta U1.
El primer principio de la termodinámica nos enseña que la variación de energía interna es igual a la suma del trabajo y del calor que participan a esta variación.
Eso se escribe : W + Q = U1-U0, con :
W = trabajo del intercambio.
Q = Calor del intercambio.
U0 = energía interna inicial.
U1 = energía interna final.
También el primer principio puede enunciarse así : la suma algébrica del trabajo W y del calor Q intercambiados por el sistema con el medio exterior es igual a la variación U1-U0 de su energía interna. Es independiente de la naturaleza de las transformaciones puestas en juego y no depende más que del estado inicial y del estado final.
Se puede decir también que el primer principio es el principio de la conservación de la energía, porque todo lo que recibe o da el medio exterior se traduce por una variación equivalente de la energía interna.
Eso se nota muy bien cuando las transformaciones se traducen por un ciclo, es decir cuando el estado final es lo mismo que el estado inicial. En esta caso, la igualdad fundamental se escribe :
W + Q = 0, es decir que todo el trabajo intercambiado es algébricamente igual al calor intercambiado.
Segundo principio de la termodinámica
El segundo principio de la termodinámica es una de las leyes más importantes de la física. La dificultad para explicarla es que hay que introducir una medida llamada “entropía” que, a menudos, se presenta sobre una forma matemática abstracta que puede molestar el lector poco acostumbrado al cálculo integral. Pues aquí, la presentare de manera simple.
Hemos visto arriba que el primer principio, principio de conservación de la energía, no dice nada del sentido de las transformaciones de los sistemas. Pero sabemos todos que las transformaciones se hacen de manera espontanea en un sentido particular.
Por ejemplo, el intercambio de temperatura siempre se hace del cuerpo caliente hacia el cuerpo frio (y jamás el contrario). O, si liberamos la presión de un globo de goma, el globo se vacía y jamás hemos visto un globo llenarse de aire espontáneamente en las condiciones normales de presión exterior; aunque nada, en el primer principio lo impide.
El segundo principio de la termodinámica nos da el sentido de las transformaciones, introduciendo el concepto de irreversibilidad. Es decir que formaliza el hecho que hay transformaciones que nunca pueden repetirse en el sentido contrario. Si frotamos dos cuerpos metálicos sabemos que la fricción va a producirá calor. Pero este calor jamás podremos reintroducirla en los dos cuerpos. La perdida de calor debida a la fricción es una transformación irreversible y la irreversibilidad se caracteriza con una función llamado “entropía”.
No es más difícil de entender el concepto de entropía que el de energía. Podemos decir que la entropía mide el nivel de desorden de los sistemas, porque la irreversibilidad desorganiza los estados termodinámicas.
Pero, y eso es el segundo principio, esta función (entropía), al contrario de la energía, no se conserva. Cada transformación de un sistema se hace en el sentido de una creación de entropía, es decir creación de desorden.
Pues la formulación mas general de este principio puede ser una de las siguientes :
El segundo principio de la termodinámica es una de las leyes más importantes de la física. La dificultad para explicarla es que hay que introducir una medida llamada “entropía” que, a menudos, se presenta sobre una forma matemática abstracta que puede molestar el lector poco acostumbrado al cálculo integral. Pues aquí, la presentare de manera simple.
Hemos visto arriba que el primer principio, principio de conservación de la energía, no dice nada del sentido de las transformaciones de los sistemas. Pero sabemos todos que las transformaciones se hacen de manera espontanea en un sentido particular.
Por ejemplo, el intercambio de temperatura siempre se hace del cuerpo caliente hacia el cuerpo frio (y jamás el contrario). O, si liberamos la presión de un globo de goma, el globo se vacía y jamás hemos visto un globo llenarse de aire espontáneamente en las condiciones normales de presión exterior; aunque nada, en el primer principio lo impide.
El segundo principio de la termodinámica nos da el sentido de las transformaciones, introduciendo el concepto de irreversibilidad. Es decir que formaliza el hecho que hay transformaciones que nunca pueden repetirse en el sentido contrario. Si frotamos dos cuerpos metálicos sabemos que la fricción va a producirá calor. Pero este calor jamás podremos reintroducirla en los dos cuerpos. La perdida de calor debida a la fricción es una transformación irreversible y la irreversibilidad se caracteriza con una función llamado “entropía”.
No es más difícil de entender el concepto de entropía que el de energía. Podemos decir que la entropía mide el nivel de desorden de los sistemas, porque la irreversibilidad desorganiza los estados termodinámicas.
Pero, y eso es el segundo principio, esta función (entropía), al contrario de la energía, no se conserva. Cada transformación de un sistema se hace en el sentido de una creación de entropía, es decir creación de desorden.
Pues la formulación mas general de este principio puede ser una de las siguientes :
- Ningún proceso cíclico es tal que el sistema en el que ocurre y su entorno puedan volver a la vez al mismo estado del que partieron.
- En un sistema aislado, ningún proceso puede ocurrir si a él se asocia una disminución de la entropía total del sistema.
- La entropía del universo siempre crece para cualquier transformación irreversible que se produzca.
Si ahora volvemos a la afirmación de mi amigo Roberto se entiende bien la similitud entre lo que él dice y el segundo principio, pues que si un tonto y un listo van justos, la tontería va siempre hacia el listo, como el calor va siempre hacia el cuerpo mas frio.
Tercer principio de la termodinámica
Hemos visto arriba que después de una transformación, la entropía de un sistema siempre crece y que la diferencia de entropía entre dos estados de equilibrio siempre es positivo.
Pero no hemos dicho nada de la valor, en absoluto de le entropía. Eso es el papel del tercer principio de la termoiónica que nos indica que un cuerpo cristalino tiene un estado de equilibrio con una entropía nula si llega a una temperatura de -273° C, también llamada cero de Kelvin.
A esta temperatura, que no podemos llegar, los partículas no se mueven. Es un estado ideal de entropía nula porque es un estado de orden total.
Por consiguiente, la tercera ley provee de un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. La entropía relativa a este punto es la entropía absoluta.
El tercer principio puede enunciarse así :
“Si la entropía de cada elemento en algún estado cristalino (perfecto) se tomase como cero en el cero absoluto de temperatura, cada sustancia tiene una entropía finita y positiva, pero en el cero absoluto de temperatura la entropía puede llegar a ser cero y eso lo convierte en el caso de una sustancia cristalina perfecta” (Gilbert N. Lewis y Merle Randall en 1923).
Tercer principio de la termodinámica
Hemos visto arriba que después de una transformación, la entropía de un sistema siempre crece y que la diferencia de entropía entre dos estados de equilibrio siempre es positivo.
Pero no hemos dicho nada de la valor, en absoluto de le entropía. Eso es el papel del tercer principio de la termoiónica que nos indica que un cuerpo cristalino tiene un estado de equilibrio con una entropía nula si llega a una temperatura de -273° C, también llamada cero de Kelvin.
A esta temperatura, que no podemos llegar, los partículas no se mueven. Es un estado ideal de entropía nula porque es un estado de orden total.
Por consiguiente, la tercera ley provee de un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. La entropía relativa a este punto es la entropía absoluta.
El tercer principio puede enunciarse así :
“Si la entropía de cada elemento en algún estado cristalino (perfecto) se tomase como cero en el cero absoluto de temperatura, cada sustancia tiene una entropía finita y positiva, pero en el cero absoluto de temperatura la entropía puede llegar a ser cero y eso lo convierte en el caso de una sustancia cristalina perfecta” (Gilbert N. Lewis y Merle Randall en 1923).
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