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. 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. Los principios de la termodinámica se enunciaron durante el siglo XIX, los cuales regulan las transformaciones termodinámicas, su progreso, sus límites.
Historia y Evolución 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.
Principios Fundamentales de la Termodinámica
El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son las leyes de la termodinámica, que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo. Es importante saber que la termodinámica estudia los sistemas que se encuentran en equilibrio.
Ley Cero de la Termodinámica
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. A esta ley se le llama de "equilibrio térmico". Esta ley dice "Si dos sistemas A y B están a la misma temperatura, y B está a la misma temperatura que un tercer sistema C, entonces A y C están a la misma temperatura". Este concepto fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes.
Primera Ley 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. La primera ley de la termodinámica da una definición precisa del calor, y lo identifica como una forma de energía.
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.
Segunda Ley 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). La segunda ley dice que "solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno que tiene menor temperatura".
Como la entropía de un sistema aislado nunca puede decrecer. Como la entropía nunca puede disminuir, la naturaleza parece pues "preferir"’ el desorden y el caos.
Tercera Ley de la Termodinámica
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. El tercer principio de la termodinámica afirma que "el cero absoluto no puede alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos.
Aplicaciones de la Termodinámica
La importancia práctica radica fundamentalmente en la diversidad de fenómenos físicos que describe. Algunos ejemplos de aplicaciones son:
- Alimentación.
- Ciencia de los materiales.
- 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.
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