Leyes de la termodinámica: definición, ecuaciones y ejemplos

La bomba perpetua es una de las muchas máquinas de movimiento perpetuo que se han diseñado a lo largo de los años, con el objetivo de producir un movimiento continuo y, a menudo, como resultado, energía libre. El diseño es bastante sencillo: el agua fluye hacia abajo desde una plataforma elevada sobre una rueda hidráulica, que está unida a los engranajes, que a su vez acciona una bomba que extrae agua desde la superficie hasta la plataforma elevada, donde el proceso comienza de nuevo de nuevo.

Cuando escuche por primera vez sobre un diseño como este, podría pensar que es posible e incluso una buena idea. Y los científicos de la época estuvieron de acuerdo, hasta que se descubrieron las leyes de la termodinámica y frustraron las esperanzas de un movimiento perpetuo de un solo golpe.

Las leyes de la termodinámica son algunas de las leyes de la física más importantes. Su objetivo es describir la energía, incluida la forma en que se transfiere y se conserva, junto con el concepto crucial deentropía

La termodinámica es una rama de la física que estudiaenergía térmica y energía internaen sistemas termodinámicos. La energía térmica es la energía que pasa a través de la transferencia de calor, y la energía interna se puede pensar en la suma de la energía cinética y la energía potencial de todas las partículas de un sistema.

Utilizando la teoría cinética como herramienta, que explica las propiedades del cuerpo de materia mediante el estudio de los movimientos de sus partículas constituyentes - los físicos han podido derivar muchas relaciones cruciales entre importantes cantidades. Por supuesto, calcular la energía total de miles de millones de átomos no sería práctico, considerando la aleatoriedad efectiva de sus movimientos precisos, por lo que los procesos utilizados para derivar las relaciones se construyeron en torno a la mecánica estadística y similares enfoques.

Esencialmente, la simplificación de las suposiciones y un enfoque en el comportamiento "promedio" en una gran cantidad de moléculas dio los científicos las herramientas para analizar el sistema en su conjunto, sin atascarse en cálculos interminables por uno de miles de millones de átomos.

Para comprender las leyes de la termodinámica, debe asegurarse de comprender algunos de los términos más importantes.Temperaturaes una medida de la energía cinética promedio por molécula en una sustancia, es decir, cuánto se mueven las moléculas (en un líquido o gas) o vibran en su lugar (en un sólido). La unidad SI para la temperatura es Kelvin, donde 0 Kelvin se conoce como "cero absoluto", que es el la temperatura más fría posible (a diferencia de la temperatura cero en otros sistemas), donde todo el movimiento molecular cesa.

​Energía internaes la energía total de las moléculas en un sistema, es decir, la suma de su energía cinética y energía potencial. Una diferencia de temperatura entre dos sustancias permite que fluya el calor, que es elenergía térmicaque se transfiere de uno a otro.Trabajo termodinámicoes un trabajo mecánico que se realiza utilizando energía térmica, como en un motor térmico (a veces llamado motor de Carnot).

​Entropíaes un concepto que es difícil de definir claramente con palabras, pero matemáticamente se define como la constante de Boltzmann (k​ = 1.381 × 10⁻²³ metro² kg s⁻¹ K⁻¹) multiplicado por el logaritmo natural del número de microestados en un sistema. En palabras, a menudo se lo conoce como la medida de "desorden", pero se puede considerar con mayor precisión como el grado de que el estado de un sistema es indistinguible de un gran número de otros estados cuando se ve en el macroscópico nivel.

Por ejemplo, un cable de auriculares enredado tiene una gran cantidad de arreglos posibles específicos, pero la mayoría de ellos se ven simplemente tan "enredados" como los demás y, por tanto, tienen una entropía más alta que un estado en el que el cable está enrollado cuidadosamente sin enredos.

La ley cero de la termodinámica obtiene su número porque la primera, segunda y tercera leyes son las más conocidas y ampliamente enseñado, sin embargo, es tan importante cuando se trata de comprender las interacciones de la termodinámica sistemas. La ley cero establece que si el sistema térmico A está en equilibrio térmico con el sistema térmico B, y el sistema B está en equilibrio térmico con el sistema C, entonces el sistema A debe estar en equilibrio con el sistema C.

Esto es fácil de recordar si piensa en lo que significa que un sistema esté en equilibrio con otro. Pensando en términos de calor y temperatura: dos sistemas están en equilibrio entre sí cuando el calor ha fluido como tal para traer a la misma temperatura, como la temperatura cálida uniforme que se obtiene algún tiempo después de verter agua hirviendo en una jarra de agua más fría agua.

Cuando están en equilibrio (es decir, a la misma temperatura), no se produce transferencia de calor o cualquier pequeña cantidad de flujo de calor se cancela rápidamente mediante un flujo del otro sistema.

Pensando en esto, tiene sentido que si trae un tercer sistema a esta situación, cambiará hacia equilibrio con el segundo sistema, y ​​si está en equilibrio, también estará en equilibrio con el primero. sistema también.

La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema (∆U) es igual al calor transferido al sistema (Q) menos el trabajo realizado por el sistema (W). En símbolos, esto es:

Esta es esencialmente una declaración de la ley de conservación de la energía. El sistema gana energía si se le transfiere calor y la pierde si funciona en otro sistema, y ​​el flujo de energía se invierte en situaciones opuestas. Recordando que el calor es una forma de transferencia de energía y el trabajo es la transferencia de energía mecánica, es fácil ver que esta ley simplemente reafirma la conservación de la energía.

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía total de un sistema cerrado (es decir, un sistema aislado) nunca disminuye, pero puede aumentar o (teóricamente) permanecer igual.

Esto a menudo se interpreta en el sentido de que el "desorden" de cualquier sistema aislado aumenta con el tiempo, pero como se mencionó anteriormente, esta no es una forma estrictamente precisa de considerar el concepto, aunque es derecho. La segunda ley de la termodinámica establece esencialmente que los procesos aleatorios conducen al "desorden" en el sentido matemático estricto del término.

Otra fuente común de conceptos erróneos sobre la segunda ley de la termodinámica es el significado de un "cerrado sistema." Esto debe pensarse como un sistema aislado del mundo exterior, pero sin este aislamiento, entropíalatadisminución. Por ejemplo, un dormitorio desordenado que se deja solo nunca se pondrá más ordenado, perolatacambiar a un estado más organizado de entropía baja si alguien entra y trabaja en él (es decir, lo limpia).

La tercera ley de la termodinámica establece que cuando la temperatura de un sistema se acerca al cero absoluto, la entropía del sistema se acerca a una constante. En otras palabras, la segunda ley deja abierta la posibilidad de que la entropía de un sistema pueda permanecer constante, pero la tercera ley aclara que esto solo ocurre encero absoluto​.

La tercera ley también implica que (y a veces se dice que) es imposible reducir la temperatura de un sistema al cero absoluto con un número finito de operaciones. En otras palabras, es esencialmente imposible alcanzar el cero absoluto, aunque es posible acercarse mucho a él y minimizar el aumento de entropía del sistema.

Cuando los sistemas se acercan mucho al cero absoluto, puede producirse un comportamiento inusual. Por ejemplo, cerca del cero absoluto, muchos materiales pierden toda la resistencia al flujo de corriente eléctrica, cambiando a un estado llamado superconductividad. Esto se debe a que la resistencia a la corriente se crea por la aleatoriedad del movimiento de los núcleos del átomos en el conductor: cerca del cero absoluto, apenas se mueven, por lo que la resistencia se minimiza.

Las leyes de la termodinámica y la ley de la conservación de la energía explican por qué no son posibles las máquinas de movimiento perpetuo. Siempre habrá algo de energía "desperdiciada" creada en el proceso para cualquier diseño que elija, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica: la entropía del sistema aumentará.

La ley de conservación de la energía muestra que cualquier energía en la máquina debe provenir de algún lugar, y la La tendencia hacia la entropía muestra por qué la máquina no transmite perfectamente energía de una forma a otra.

Usando el ejemplo de la rueda hidráulica y la bomba de la introducción, la rueda hidráulica debe tener partes móviles (por ejemplo, el eje y su conexión a la rueda y los engranajes que transmiten la energía a la bomba), y estos crearán fricción, perdiendo algo de energía a medida que calor.

Esto puede parecer un pequeño problema, pero incluso con una pequeña caída en la producción de energía, la bomba no podrá obtenertodasdel agua regresa a la superficie elevada, reduciendo así la energía disponible para el próximo intento. Luego, la próxima vez, habrá aún más energía desperdiciada y más agua que no se podrá bombear, y así sucesivamente. Además de esto, también habrá pérdida de energía de los mecanismos de la bomba.

Al pensar en la segunda ley de la termodinámica, podría preguntarse: si la entropía de un aislado aumenta el sistema, ¿cómo podría ser posible que un sistema tan altamente "ordenado" como un ser humano llegara a ¿ser? ¿Cómo toma mi cuerpo la información desordenada en forma de comida y la transforma en células y órganos cuidadosamente diseñados? ¿No entran estos puntos en conflicto con la segunda ley de la termodinámica?

Ambos argumentos cometen el mismo error: los seres humanos no son un "sistema cerrado" (es decir, un sistema aislado) en el sentido estricto del mundo porque interactúas y puedes tomar energía del entorno universo.

Cuando la vida apareció por primera vez en la Tierra, aunque la materia se transformó de un estado de mayor entropía a un estado de menor entropía, había una entrada de energía en el sistema desde el sol, y esta energía permite que un sistema tenga una entropía más baja sobre hora. Tenga en cuenta que en termodinámica, el "universo" a menudo se considera el entorno que rodea un estado, en lugar de todo el universo cósmico.

Para el ejemplo del cuerpo humano creando orden en el proceso de hacer células, órganos e incluso otros humanos, la respuesta es la mismo: tomas energía del exterior, y esto te permite hacer algunas cosas que parecen desafiar la segunda ley de termodinámica.

Si estuviera completamente aislado de otras fuentes de energía y agotó toda la energía almacenada en su cuerpo, De hecho, sería cierto que no podría producir células ni realizar ninguna de las actividades que lo mantienen marcha. Sin su aparente desafío a la segunda ley de la termodinámica, moriría.