TERMODINAMICA - SÍNTESIS

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En Termodinámica se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando las variables intensivas que describen su estado no varían a lo largo del tiempo.

Cuando un sistema no está aislado, el equilibrio termodinámico se define en relación con los alrededores del sistema. Para que un sistema esté en equilibrio, los valores de las variables que describen su estado deben tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores. Cuando un sistema cerrado está en equilibrio, debe estar simultáneamente en equilibrio térmico y mecánico. En el equilibrio térmico la temperatura del sistema es la misma que la de los alrededores, en el equilibrio mecánico la presión del sistema es la misma que la de los alrededores. Se halla en equilibrio químico, si en su interior no se produce ninguna reacción química; el equilibrio de fase ocurre cuando la masa de cada fase alcanza un nivel de equilibrio y permanece ahí.

A cualquier transformación en un sistema, desde un estado de equilibrio a otro, se le conoce como proceso. Dicho en otras palabras, es el cambio de estado de una sustancia o un sistema, desde unas condiciones iniciales (estado inicial) hasta unas condiciones finales (estado final) por una trayectoria definida. Por lo tanto, para describir completamente un proceso se requiere de los estados de equilibrio inicial y final, así como de la trayectoria o las interacciones del sistema con su entorno durante el proceso. Un proceso cuasiestático se define como una idealización de un proceso real que se lleva a cabo de tal modo que el sistema está en todo momento muy cerca del estado de equilibrio, como un proceso que se realiza en un número muy grande de pasos, o que lleva mucho tiempo.

Ley Cero de la termodinámica

“Dos cuerpos separados que están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, también están en equilibrio térmico entre sí”.

Esta ley nos indica que podemos medir la temperatura aprovechando el equilibrio térmico de los cuerpos, y estar seguros de que es independiente del material que intervenga.

Recuerde que si dos cuerpos separados a distintas temperaturas se ponen en contacto entre sí se alcanzará el equilibrio térmico, y se mantendrá, cuando la temperatura sea igual en ambos cuerpos. Es interesante que la temperatura se iguale en esta condición, pero las energías de los dos cuerpos no necesariamente se igualarán.

Primera Ley de la termodinámica

El reconocimiento del calor y la energía interna como formas de energía sugiere una generalización de la ley de la conservación de la energía mecánica para aplicarla al calor y a la energía interna, así como al trabajo y a la energía cinética y potencial externas. Por otro lado, la generalización puede extenderse a otras formas de energía, tales como la energía superficial, la energía eléctrica y la energía magnética. Al principio esta generalización no fue más que un postulado, pero sin excepción alguna todas las observaciones hechas en procesos ordinarios la apoyan. De aquí que el postulado haya alcanzado el estado de ley de la naturaleza y se conozca como la primera ley de la termodinámica. Un planteamiento formal de ésta es:

“Aunque la energía tome muchas formas, la cantidad total de energía es constante, y cuando la energía desaparece en una forma, aparece simultáneamente en otras formas”

Al aplicar la primera ley a un proceso dado, la esfera influencia del proceso se divide en dos partes, el sistema y sus alrededores.

En su forma más básica, la primera ley puede escribirse como:

Δ (Energía del sistema)+ Δ (Energía de alrededores)=0

Donde el operador de diferencia “Δ” significa cambios finitos en las cantidades que aparecen entre paréntesis.

Segunda Ley de la Termodinámica

Es uno de los axiomas más importantes que se conocen, e impone severas restricciones a la Primera Ley. Ahora bien la primera ley establece la conservación de la energía en todos los procesos. Sin embargo, la intuición indica que unas formas de energía son más valiosas que otras. Por otro lado, la primera ley es también incapaz de predecir la dirección o extensión de un proceso dado. Es precisamente la segunda ley la que puede resolver estas incógnitas.

La Segunda Ley indica que todo proceso es “degenerativo”, esto es, que si el resultado del proceso es una degradación de la energía en cuanto a su capacidad de hacer trabajo, el proceso ocurrirá.

Así, por ejemplo, el trabajo puede convertirse fácilmente en calor, pero la experiencia indica que este último no puede convertirse total y continuamente en trabajo. Es decir, el trabajo es una forma de energía más valiosa que el calor.

La segunda ley de la termodinámica puede establecerse en diferentes formas:

Axioma de Clausius: Es imposible que el calor pase, por sí solo, desde una región de menor temperatura hasta otro de mayor temperatura.

Axioma de Kelvin-Planck: Es imposible para cualquier dispositivo operar clínicamente, producir trabajo, e intercambiar calor solamente con una región de temperatura constante.

Tercera Ley de la Termodinámica

Al calcular cambios de entropía en los procesos, la temperatura afecta en forma directa a la función entropía. Una disminución de temperatura inducirá una disminución de entropía, y un aumento de temperatura inducirá un aumento de entropía, pero ¿Hasta dónde puede llegar la entropía? Es aquí donde la tercera ley entra.

“La entropía tiende a un valor constante mínimo cuando la temperatura tiende al cero absoluto. Para un elemento puro, este valor mínimo es cero, pero para todas las demás sustancias no es menor que cero, y posiblemente sea mayor”

Este tercer principio es un resultado de experimentación en el régimen térmico cercano al cero absoluto, y no ha sido violado; por consiguiente se considera una “ley”. Desde un punto de vista práctico nos dice que es imposible alcanzar la temperatura de cero absoluto con un proceso que no sea reversible, porque cerca del punto cero, el cambio de entropía es cero, y la única forma irreversible de bajar más la entropía es tener un ambiente más frío que el cero absoluto. Eso es imposible, por lo que el acercamiento final al cero absoluto, en el enfriamiento de cualquier