MATERIA Y ENERGÍA, LEYES DE LA TERMODINÁMICA

MATERIA Y ENERGÍA, LEYES DE LA TERMODINÁMICA

Termodinámica

La termodinámica es la rama de la física que estudia los efectos de los cambios de temperatura, presión y volumen de un sistema físico (un material, un líquido, un conjunto de cuerpos, etc.), a un nivel macroscópico. La raíz "termo" significa calor y dinámica se refiere al movimiento, por lo que la termodinámica estudia el movimiento del calor en un cuerpo. La materia está compuesta por diferentes partículas que se mueven de manera desordenada. La termodinámica estudia este movimiento desordenado.

La importancia práctica de la termodinámica radica fundamentalmente en la diversidad de fenómenos físicos que describe. El conocimiento de esta diversidad ha derivado haca una enorme productividad tecnológica.

Estudio de la termodinámica

Los principales elementos que tenemos para estudiar la termodinámica son:

§  Las leyes de la termodinámica. Estas leyes definen la forma en que la energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo.

§  La entropía. La entropía es una magnitud que puede ser definida para cualquier sistema. La entropía define el desorden en que se mueven las partículas internas que forman la materia.

§  La entalpía. La entalpía es una magnitud termodinámica, función de estado del sistema físico considerado.  La primera ley de la termodinámica, en función de la entalpía, adopta la forma dQ = dH - Vdp , es decir, la cantidad de calor suministrada a un sistema es utilizada para aumentar la entalpía y hacer un trabajo externo - Vdp.

En la termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinámico y su contorno. Un sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante las ecuaciones de estado. Estas se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, útiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontáneos.

Con estas herramientas, la termodinámica describe cómo los sistemas responden a los cambios en su entorno. (Anónimo, solar-energia.net, 2016)

Leyes de la Termodinámica

La termodinámica se basa principalmente en un conjunto de cuatro leyes que son universalmente válidas cuando se aplican a sistemas que caen dentro de las restricciones implícitas en cada uno.

El primer principio que se estableció fue la segunda ley de la termodinámica, tal como la formuló Sadi Carnot el 1824. El 1860 ya estableció dos "principios" de la termodinámica con las obras de Rudolf Clausius y William Thomson, Lord Kelvin. Con el tiempo, estos principios se han convertido en "leyes". El 1873, por ejemplo, Willard Gibbs afirmó que había dos leyes absolutas de la termodinámica en sus métodos gráficos en la termodinámica de fluidos. Actualmente se enuncian un total de cuatro leyes. En los últimos 80 años, algunos autores han sugerido otras leyes, pero ninguna de ellas fue aceptada por unanimidad.

En las diversas descripciones teóricas de la termodinámica, estas leyes pueden expresarse en formas aparentemente diferentes, pero las formulaciones más destacadas son las siguientes:

El principio cero de la termodinámica tiene diferentes contenidos, en diferentes autores y en diferentes contextos; es decir, puede referirse a uno u otro de los siguientes dos aspectos de los estados de equilibrio de un sistema termodinámico: establecer el equilibrio termodinámico, o transitividad del equilibrio térmico.

§  El primer principio de la termodinámica establece la equivalencia entre el trabajo mecánico y la cantidad de calor como formas de intercambio de energía entre un sistema y el mundo circundante. Una de sus consecuencias es la existencia de una función estatal llamada energía interna.

§  La segunda ley de la termodinámica es compatible con una forma primaria, la existencia incapaz de máquinas térmicas que recibieron un poco de calor desde una fuente para producir equivalente trabajo mecánico. Una de sus consecuencias es la existencia de una función estatal llamada entropía.

§  El tercer principio de la termodinámica establece que cuando la temperatura tiende a cero absolutos, la entropía de cualquier sistema tiende a cero. No es el resultado de la abstracción directa de los hechos experimentales, sino la extensión de las consecuencias de los principios precedentes.

Ley cero de la termodinámica

El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el que las variables empíricas utilizadas para definir un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, entre otros) han llegado a un punto de equilibrio y por tanto no varían a lo largo del tiempo, es decir no son dependientes del tiempo. A estas variables empíricas (experimentales) de un sistema se les conoce como coordenadas termodinámicas del sistema.

A este principio se llama del equilibrio termodinámico. Si dos sistemas A y B están en equilibrio termodinámico, y B está en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C están a su vez en equilibrio termodinámico. Este principio es fundamental, a pesar de ser ampliamente aceptado; no fue formulado formalmente hasta después de haber enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición 0.

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica también es conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica. Esta ley termodinámica establece que, si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otro modo, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Antoine Lavoisier. (Anónimo, solar-energia.net, 2018)

La primera ley de la termodinámica piensa en grande, dicho de otra manera, la Primera ley de la termodinámica dice que la energía no se puede crear ni destruir, solo puede cambiarse o transferirse de un objeto a otro.

Esta ley puede parecer algo abstracta, pero si empezamos a ver los ejemplos, encontraremos que las transferencias y transformaciones de energía ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo. Por ejemplo:

·         Las plantas convierten la energía solar (energía radiante) en energía química almacenada en moléculas orgánicas.

·         Tú estás transformando la energía química de tu última comida en energía cinética cuando caminas, respiras y mueves tu dedo para desplazarte hacia arriba y hacia abajo por esta página.

Lo importante es que ninguna de estas transferencias es completamente eficiente. En cambio, en cada situación, parte de la energía inicial se libera como energía térmica. Cuando la energía térmica se mueve de un objeto a otro, recibe el nombre más familiar de calor. Es obvio que los focos de luz incandescente generan calor además de luz, pero las bolas de billar en movimiento también lo hacen (gracias a la fricción), como lo hacen las transferencias de energía química ineficientes del metabolismo vegetal y animal. Para ver por qué la generación de calor es importante, sigue leyendo sobre la segunda ley de la termodinámica.

Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica regula la dirección en que se han de llevar a cabo los procesos termodinámicos y, por tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario. También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas. De este modo, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el primer principio de la termodinámica.

Esta ley permite definir una magnitud física llamada entropía tal que, para un sistema aislado, es decir, que no intercambia materia ni energía con su entorno, la variación de la entropía siempre debe ser mayor o igual a cero y sólo es igual a cero si el proceso es reversible.

El calor aumenta lo aleatorio del universo

Si el calor no realiza trabajo, entonces ¿qué hace exactamente? El calor que no realiza trabajo aumenta la aleatoriedad (desorden) del universo. Esto puede parecer un gran salto de lógica, así que vamos a dar un paso atrás y ver cómo puede ser.

Cuando tienes dos objetos (dos bloques del mismo metal, por ejemplo) a diferentes temperaturas, tu sistema está relativamente organizado: las moléculas están separadas por velocidad, en el objeto más frío se mueven lentamente y en el objeto más caliente se mueven rápidamente. Si fluye calor del objeto más caliente hacia el objeto más frío (como sucede espontáneamente), las moléculas del objeto caliente disminuyen su velocidad, y las moléculas del objeto frío aumentan su velocidad, hasta que todas las moléculas se estén moviendo a la misma velocidad promedio. Ahora, en lugar de tener moléculas separadas por su velocidad, simplemente tenemos un gran conjunto de moléculas a la misma velocidad, una situación menos ordenada que nuestro punto de partida.

El sistema tenderá a moverse hacia esta configuración más desordenada simplemente porque es estadísticamente más probable que la configuración de temperaturas separadas (es decir, hay muchos más estados posibles que corresponden a la configuración desordenada).

La entropía y la segunda ley de la termodinámica

Ilustración 41-Entropía https://francis.naukas.com/2017/10/31/incremento-de-la-entropia-y-descenso-del-desorden/

El grado de aleatoriedad o desorden en un sistema se llama entropía. Puesto que sabemos que cada transferencia de energía resulta en la conversión de una parte de energía en una forma no utilizable (como calor) y que el calor que no realiza trabajo se destina a aumentar el desorden del universo, podemos establecer una versión relevante para la biología de la segunda ley de la termodinámica: cada transferencia de energía que se produce aumentará la entropía del universo y reducirá la cantidad de energía utilizable disponible para realizar trabajo (o en el caso más extremo, la entropía total se mantendrá igual). En otras palabras, cualquier proceso, como una reacción química o un conjunto de reacciones conectadas, procederá en una dirección que aumente la entropía total del universo.

Para resumir, la primera ley de termodinámica habla sobre la conservación de la energía entre los procesos, mientras que la segunda ley de la termodinámica trata sobre la direccionalidad de los procesos, es decir, de menor a mayor entropía (en el universo en general).

La entropía en los sistemas biológicos

Una de las implicaciones de la segunda ley de la termodinámica es que, para que un proceso se lleve a cabo, de algún modo debe aumentar la entropía del universo. Esto inmediatamente puede plantear algunas preguntas cuando se piensa en organismos vivos, como tú. Después de todo ¿acaso no eres un conjunto de materia bastante ordenado? Cada célula de tu cuerpo tiene su propia organización interna; las células se organizan en tejidos y los tejidos en órganos; y todo tu cuerpo sostiene un cuidadoso sistema de transporte, intercambio y comercio que te mantiene vivo. Así, a primera vista, puede no ser claro cómo tú o incluso una simple bacteria representan un aumento en la entropía del universo.

Para aclarar esto, revisemos los intercambios de energía que ocurren en tu cuerpo cuando caminas, por ejemplo. Al contraer los músculos de las piernas para mover tu cuerpo hacia delante, estás utilizando energía química de moléculas complejas, como la glucosa, y la conviertes en energía cinética (y, si estás caminando cuesta arriba, energía potencial). Sin embargo, esto lo haces con eficiencia muy baja: una gran parte de la energía de tus fuentes de combustible simplemente se transforma en calor. Parte del calor mantiene tu cuerpo caliente, pero gran parte se disipa en el ambiente circundante.

Ilustración 42-https://es.khanacademy.org/science/biology/energy-and-enzymes/modal/a/the-laws-of-thermodynamics

Caricatura de una persona caminando, con una hamburguesa en la mano. La persona está consumiendo macromoléculas complejas de la hamburguesa y liberándolas en forma de moléculas de dióxido de carbono y agua, lo que aumenta la entropía. También está caminando hacia adelante (y convierte la energía química de las macromoléculas en energía cinética), pero buena parte de la energía liberada se pierde en forma de calor (lo que también aumenta la entropía).

Esta transferencia de calor aumenta la entropía del entorno, al igual que el hecho de que tomas grandes y complejas biomoléculas y las conviertes en muchas pequeñas moléculas simples, como dióxido de carbono y agua, cuando metabolizas el combustible para poder caminar. Este ejemplo utiliza a una persona en movimiento, pero lo mismo sería válido para una persona, o cualquier otro organismo, en reposo. La persona u organismo mantendrá cierta tasa basal de actividad metabólica que causa la degradación de moléculas complejas en otras más pequeñas y numerosas junto con la liberación de calor, lo que aumenta la entropía del entorno.

Dicho en términos más generales, los procesos que disminuyen localmente la entropía, como aquellos que construyen y mantienen los altamente organizados cuerpos de los seres vivos, sí pueden ocurrir. Sin embargo, esta disminución local de la entropía puede ocurrir solamente con un gasto de energía y parte de esa energía se convierte en calor u otras formas no utilizables. El efecto neto del proceso original (disminución local de la entropía) y de la transferencia de energía (aumento en el entorno de la entropía) es un incremento global en la entropía del universo.

En resumen, el alto grado de organización de los seres vivos se mantiene gracias a un suministro constante de energía y se compensa con un aumento en la entropía del entorno. (Anónimo, 2014)

Tercera ley de la termodinámica

La tercera de las leyes de la termodinámica, propuesta por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. El tercer principio de la termodinámica puede formular también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico.

La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse con el valor de cero a temperaturas iguales al cero absoluto. No es una noción exigida por la termodinámica clásica, por lo que es probablemente es inadecuado hablar de "ley". (Anónimo, solar-energia.net, 2018)

Véase también en:
https://solar-energia.net/termodinamica
https://solar-energia.net/termodinamica/leyes-de-la-termodinamica
https://es.khanacademy.org/science/biology/energy-and-enzymes/the-laws-of-thermodynamics/a/the-laws-of-thermodynamics