La termodinámica es la rama de la física que se ocupa del estudio de los vínculos existentes entre el calor y las demás variedades de energía. Analiza, por lo tanto, los efectos que poseen a nivel macroscópico las modificaciones de temperatura, presión, densidad, masa y volumen en cada sistema.
Historia y Fundamentos de la Termodinámica
El estudio formal de la termodinámica se inició gracias a Otto von Guericke en 1650, un físico y jurista alemán que diseñó y construyó la primera bomba de vacío, refutando con sus aplicaciones a Aristóteles y su máxima de que “la naturaleza aborrece el vacío”. Luego de esta invención, los científicos Robert Boyle y Robert Hooke perfeccionaron sus sistemas y observaron la correlación entre presión, temperatura y volumen.
Los principios de la termodinámica se enunciaron durante el siglo XIX, los cuales regulan las transformaciones termodinámicas, su progreso, sus límites. La ley cero de la termodinámica afirma que cuando dos sistemas que interactúan están en equilibrio térmico, comparten algunas propiedades, que pueden medirse dándoles un valor numérico preciso.
Las Leyes de la Termodinámica
El primer principio de la termodinámica, también conocido como primera ley de la termodinámica, establece que “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma“. Visto de otra forma, la primera ley de la termodinámica permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar un sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna.
Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia“, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica.
Hay varias declaraciones de la segunda ley de la termodinámica, todas equivalentes, y cada una de las formulaciones enfatiza un aspecto particular. En primer lugar, afirma que «es imposible realizar una máquina cíclica que tenga el único resultado de transferir calor de un cuerpo frío a un cuerpo cálido» (declaración de Clausius).
El tercer principio de las leyes de la termodinámica está estrechamente relacionado con este último, y en algunos casos se considera como consecuencia de este último.
Energía Interna, Entalpía, Calor y Trabajo
Energía interna (E): es igual a la suma de la energía cinética de las moléculas o átomos que constituyen el sistema (de sus energías de traslación, rotación y vibración) y de la energía potencial intermolecular (debida a las fuerzas intermoleculares) e intramolecular de la energía de enlace.
Las variaciones de E se deben a transferencia de energía en forma de calor o trabajo (solo para sistemas gaseosos), desde el sistema al entorno o desde el entorno al sistema.
Entalpía (H) o contenido calórico: magnitud termodinámica cuya variación (∆H) expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico.
El qrev es la energía que se requiere obligatoriamente para mantener el desorden molecular del sistema.
Aplicaciones de la Termodinámica
La importancia práctica radica fundamentalmente en la diversidad de fenómenos físicos que describe. En la termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas termodinámicos. Un sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante las ecuaciones de estado.
La termodinámica tiene diversas aplicaciones en diferentes campos:
- Alimentación: Interviene en procesos de conservación y transformación de alimentos.
- Ciencia de los materiales: Es fundamental para el desarrollo de nuevos materiales con propiedades específicas.
- Aplicaciones industriales: En el mundo industrial existen muchos procesos que transforman materias primas en productos acabados utilizando maquinaria y energía.
- Arquitectura: En el campo de la construcción es muy importante tener en cuenta las transferencias térmicas entre el exterior y el interior de la vivienda.
- Generación de electricidad: La termodinámica es crucial en el diseño y optimización de plantas de energía.
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