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Termodinámica, definición, ecuaciones, leyes e historia

En este artículo veremos los conceptos y principios fundamentales de la termodinámica.

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Termodinámica, definición, ecuaciones, leyes e historia
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La termodinámica se ocupa de los conceptos de calor y temperatura y de la interconversión del calor y otras formas de energía.

Las cuatro leyes de la termodinámica rigen el comportamiento de estas magnitudes y proporcionan una descripción cuantitativa. William Thomson, en 1749, acuñó el término termodinámica.

¿Qué es la termodinámica?

La termodinámica en física es una rama que trata del calor, el trabajo y la temperatura, y su relación con la energía, la radiación y las propiedades físicas de la materia.

En concreto, explica cómo la energía térmica se convierte en o desde otras formas de energía y cómo la materia se ve afectada por este proceso. La energía térmica es la energía que proviene del calor. Este calor se genera por el movimiento de pequeñas partículas dentro de un objeto, y cuanto más rápido se mueven estas partículas, más calor se genera.

La termodinámica no se preocupa de cómo y a qué ritmo se llevan a cabo estas transformaciones energéticas. Se basa en los estados inicial y final que sufren el cambio. También hay que tener en cuenta que la Termodinámica es una ciencia macroscópica. Esto significa que se ocupa del sistema masivo y no se ocupa de la constitución molecular de la materia.

Distinción entre mecánica y termodinámica

Cabe destacar la distinción entre la mecánica y la termodinámica. En la mecánica, nos centramos únicamente en el movimiento de las partículas o cuerpos bajo la acción de fuerzas y pares. En cambio, la termodinámica no se ocupa del movimiento del sistema en su conjunto. Sólo se ocupa del estado interno macroscópico del cuerpo.

Diferentes ramas de la termodinámica

La termodinámica se clasifica en las cuatro ramas siguientes:

  • Termodinámica clásica
  • Termodinámica estadística
  • Termodinámica química
  • Termodinámica del equilibrio

Termodinámica clásica

En la termodinámica clásica, el comportamiento de la materia se analiza con un enfoque macroscópico. Se tienen en cuenta unidades como la temperatura y la presión, lo que ayuda a los individuos a calcular otras propiedades y a predecir las características de la materia sometida al proceso.

Termodinámica estadística

En la termodinámica estadística, cada molécula está en el punto de mira, es decir, se tienen en cuenta las propiedades de cada molécula y cómo interactúan para caracterizar el comportamiento de un grupo de moléculas.

Termodinámica química

La termodinámica química es el estudio de cómo se relacionan el trabajo y el calor en las reacciones químicas y los cambios de estado.

Termodinámica del equilibrio

La termodinámica de equilibrio es el estudio de las transformaciones de la energía y la materia a medida que se acercan al estado de equilibrio.

Conceptos básicos de termodinámica – Términos termodinámicos

La termodinámica tiene su propio vocabulario asociado. Una buena comprensión de los conceptos básicos permite entender bien los distintos temas tratados en termodinámica y evitar posibles malentendidos.

Sistemas termodinámicos

Un sistema termodinámico es una porción específica de materia con un límite definido en el que se centra nuestra atención. El límite del sistema puede ser real o imaginario, fijo o deformable.
Existen tres tipos de sistemas:

  • Sistema aislado – Un sistema aislado no puede intercambiar ni energía ni masa con su entorno. El universo se considera un sistema aislado.
  • Sistema cerrado – A través de la frontera del sistema cerrado, la transferencia de energía tiene lugar pero la transferencia de masa no tiene lugar. El frigorífico, la compresión del gas en el conjunto pistón-cilindro son ejemplos de sistemas cerrados.
  • Sistema abierto – En un sistema abierto, tanto la masa como la energía pueden ser transferidas entre el sistema y los alrededores. Una turbina de vapor es un ejemplo de sistema abierto.
Interacciones de los sistemas termodinámicos
Tipos de sistemasFlujo de masaTrabajoCalor
Sistema Aislado
Sistema Abierto
Sistema Cerrado

Entorno

Se denomina entorno a todo lo que está fuera del sistema y que influye directamente en su comportamiento.

Proceso termodinámico

Un sistema experimenta un proceso termodinámico cuando se produce algún cambio energético dentro del sistema que está asociado a cambios de presión, volumen y energía interna.

Hay cuatro tipos de procesos termodinámicos que tienen sus propiedades únicas, y son:

  • Proceso adiabático – Un proceso en el que no se produce ninguna transferencia de calor dentro o fuera del sistema.
  • Proceso isocórico – Un proceso en el que no se produce ningún cambio de volumen y el sistema no realiza ningún trabajo.
  • Proceso isobárico – Proceso en el que no se produce ningún cambio de presión.
  • Proceso isotérmico – Proceso en el que no se produce ningún cambio de temperatura.

Un ciclo termodinámico es un proceso, o una combinación de procesos llevados a cabo de manera que los estados inicial y final del sistema son los mismos. Un ciclo termodinámico también se conoce como operación cíclica o procesos cíclicos.

Equilibrio termodinámico

En un estado determinado, todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos. Por tanto, si el valor de una sola propiedad cambia, el estado del sistema pasa a ser otro. En un sistema que está en equilibrio, no se producen cambios en el valor de las propiedades cuando está aislado de su entorno.

  • Cuando la temperatura es la misma en todo el sistema, consideramos que el sistema está en equilibrio térmico.
  • Cuando no hay cambios de presión en ningún punto del sistema, consideramos que el sistema está en equilibrio mecánico.
  • Cuando la composición química de un sistema no varía con el tiempo, consideramos que el sistema está en equilibrio químico.
  • El equilibrio de fases en un sistema bifásico es cuando la masa de cada fase alcanza un nivel de equilibrio.

Se dice que un sistema termodinámico está en equilibrio termodinámico si está en equilibrio químico, mecánico y térmico y los parámetros relevantes dejan de variar con el tiempo.

Propiedades termodinámicas

Las propiedades termodinámicas se definen como rasgos característicos de un sistema, capaces de especificar el estado del mismo. Las propiedades termodinámicas pueden ser extensivas o intensivas.

Las propiedades intensivas son propiedades que no dependen de la cantidad de materia. La presión y la temperatura son propiedades intensivas.
En el caso de las propiedades extensivas, su valor depende de la masa del sistema. El volumen, la energía y la entalpía son propiedades extensivas.

¿Qué es la entalpía?

La entalpía es la medida de la energía en un sistema termodinámico. La cantidad de entalpía es igual al contenido total de calor de un sistema, equivalente a la energía interna del sistema más el producto del volumen y la presión.

Matemáticamente, la entalpía, H, es igual a la suma de la energía interna, E, y el producto de la presión, P, y el volumen, V, del sistema.

Formula de la entalpia: H = E + PV

¿Qué es la entropía?

La entropía es una cantidad termodinámica cuyo valor depende del estado físico o la condición de un sistema. En otras palabras, es una función termodinámica que sirve para medir la aleatoriedad o el desorden.

Por ejemplo, la entropía de un sólido, donde las partículas no tienen libertad de movimiento, es menor que la de un gas, donde las partículas llenan el recipiente.

Potenciales termodinámicos

Los potenciales termodinámicos son medidas cuantitativas de la energía almacenada en un sistema. Los potenciales miden los cambios de energía en un sistema a medida que evolucionan desde el estado inicial hasta el estado final. En función de las restricciones del sistema, como la temperatura y la presión, se utilizan diferentes potenciales.

A continuación se tabulan diferentes formas de potenciales termodinámicos junto con su fórmula:

Energía internaU=∫TdS−PdV+∑iμidNiU=∫TdS−PdV+∑iμidNi
Energía libre de HelmholtzF = U – TS
EntalpiaH = U + PV
Energía libre de GibbsG = U + PV – TS

Leyes de la termodinámica

Las leyes de la termodinámica definen las magnitudes físicas fundamentales como la energía, la temperatura y la entropía que caracterizan a los sistemas termodinámicos en equilibrio térmico. Estas leyes de la termodinámica representan cómo se comportan estas magnitudes en diversas circunstancias.

¿Cuántas leyes de la termodinámica hay?

Las leyes de la termodinámica son cuatro y se indican a continuación:

  • Zeroth ley de la termodinámica
  • Primera ley de la termodinámica
  • Segunda ley de la termodinámica
  • Tercera ley de la termodinámica

Ley Zeroth de la termodinámica

La ley Zeroth de la termodinámica establece que si dos cuerpos están individualmente en equilibrio con un tercer cuerpo separado, entonces los dos primeros cuerpos también están en equilibrio térmico entre sí.

Esto significa que si el sistema A está en equilibrio térmico con el sistema C y el sistema B también está en equilibrio con el sistema C, entonces los sistemas A y B también están en equilibrio térmico.

Un ejemplo que demuestra la Ley Zeroth:

Considera dos tazas A y B con agua hirviendo. Cuando se coloca un termómetro en el vaso A, el agua lo calienta hasta que marca 100 °C. Cuando marca 100 °C, decimos que el termómetro está en equilibrio con el vaso A. Cuando trasladamos el termómetro al vaso B para leer la temperatura, sigue marcando 100 °C. El termómetro también está en equilibrio con el vaso B. El termómetro también está en equilibrio con el vaso B. Teniendo en cuenta la ley zeroth de la termodinámica, podemos concluir que el vaso A y el vaso B están en equilibrio entre sí.

La ley zeroth de la termodinámica nos permite utilizar los termómetros para comparar la temperatura de dos objetos cualesquiera.

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica, también conocida como la ley de la conservación de la energía, establece que la energía no puede crearse ni destruirse, pero puede cambiarse de una forma a otra.

La primera ley de la termodinámica puede parecer abstracta, pero nos haremos una idea más clara si vemos algunos ejemplos de la primera ley de la termodinámica.

Ejemplos de la primera ley de la termodinámica:

Las plantas convierten la energía radiante de la luz solar en energía química mediante la fotosíntesis. Nosotros comemos plantas y convertimos la energía química en energía cinética mientras nadamos, caminamos, respiramos y nos desplazamos por esta página.
Encender la luz puede parecer que produce energía, pero lo que se convierte es la energía eléctrica.

Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema aislado siempre aumenta. Cualquier sistema aislado evoluciona espontáneamente hacia el equilibrio térmico, el estado de máxima entropía del sistema.

La entropía del universo sólo aumenta y nunca disminuye. Muchas personas toman esta afirmación a la ligera y como algo natural, pero tiene un gran impacto y consecuencia.

Visualización de la segunda ley de la termodinámica
Si una habitación no se ordena o limpia, invariablemente se vuelve más desordenada y desordenada con el tiempo. Cuando se limpia la habitación, su entropía disminuye, pero el esfuerzo para limpiarla ha provocado un aumento de la entropía fuera de la habitación que supera la entropía perdida.

Tercera ley 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 acerca al cero absoluto.

La entropía de una sustancia cristalina pura (orden perfecto) a temperatura cero absoluta es cero. Esta afirmación es válida si el cristal perfecto sólo tiene un estado con energía mínima.

Ejemplos de la Tercera Ley de la Termodinámica:
Consideremos el vapor como ejemplo para entender la tercera ley de la termodinámica paso a paso:

  • Las moléculas en su interior se mueven libremente y tienen una alta entropía.
  • Si se disminuye la temperatura por debajo de 100 °C, el vapor se convierte en agua, donde el movimiento de las moléculas está restringido, disminuyendo la entropía del agua.
  • Cuando el agua se enfría más por debajo de los 0 °C, se convierte en hielo sólido. En este estado, el movimiento de las moléculas se restringe aún más y la entropía del sistema se reduce más.
  • Cuando la temperatura del hielo se reduce aún más, el movimiento de las moléculas en él se restringe aún más y la entropía de la sustancia sigue disminuyendo.
  • Cuando el hielo se enfría hasta el cero absoluto, lo ideal sería que la entropía fuera cero. Pero, en realidad, es imposible enfriar cualquier sustancia hasta el cero.

Preguntas frecuentes – FAQs

¿Qué importancia tienen las leyes de la termodinámica?

Las leyes de la termodinámica definen las magnitudes físicas, es decir, la temperatura, la energía y la entropía que caracterizan a los sistemas termodinámicos en equilibrio térmico.

¿Cuál es un ejemplo de trabajo negativo?

Cuando empujas un objeto por el suelo, el trabajo realizado por la fricción cinética es negativo.

¿Se puede destruir o perder energía?

La energía no puede crearse ni destruirse, sólo puede transferirse de una forma a otra.
Los ventiladores convierten la energía eléctrica en energía mecánica.
Esto se explica por la Primera Ley de la Termodinámica.

¿Obedece el cuerpo humano las leyes de la termodinámica?

Sí, el cuerpo humano obedece a la ley de la termodinámica. Cuando estás en una habitación llena de gente, empiezas a sentir calor y empiezas a sudar. Esta es la forma que tiene el cuerpo de enfriarse. El calor del cuerpo se transfiere al sudor. A medida que el sudor absorbe más calor, se evapora del cuerpo, desordenándose y transfiriendo el calor al aire, lo que calienta la temperatura del aire de la habitación. Muchas personas sudando en una habitación llena de gente, «sistema cerrado», calentarán rápidamente el lugar. Se trata de la primera y la segunda ley de la termodinámica en acción: No se pierde calor; simplemente se transfiere y se aproxima al equilibrio con la máxima entropía.

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