Termodinámica

¿Qué es la termodinámica?

La termodinámica es la rama de la física que estudia las interacciones del calor y otras formas de energía. Esta disciplina utiliza razonamientos deductivos para construir una teoría fenomenológica que pueda analizar sistemas reales mediante un método experimental, sin modelizar. Así, se estudian los estados de equilibrio a través de magnitudes extensivas como la entropía, la energía interna del sistema o la composición molar; aunque también pueden emplearse magnitudes no extensivas que se derivan de las anteriores, como el potencial químico, la temperatura y la presión. De igual forma, se utilizan otras magnitudes como la fuerza electromotriz, la imanación y las magnitudes relacionadas con los medios continuos. Todo lo anterior está regido por los cuatro principios o cuatro leyes de la termodinámica.

La termodinámica analiza las transferencias de calor como una forma de energía con la cual se puede llevar a cabo un trabajo. De esta forma, se estudia cómo la materia se transforma en cualquiera de sus fases —líquido, sólido, gaseoso, plasma— a partir de determinados cambios de presión, volumen y temperatura. De la termodinámica se desprendieron otras ramas del saber científico, como la mecánica estadística, que estudia la transferencia de calor desde un punto de vista molecular. Así, dado que la materia está conformada por varias moléculas, su correcto análisis debe partir por un estudio de las moléculas como cuerpos aleatorios o caóticos que sólo pueden ser estudiados a partir de la estadística y las consideraciones mecánicas, obteniendo información microscópica que puede dar luces de la materia de como ente macroscópico.

De esta manera, la termodinámica no se preocupa por dar una interpretación física de las magnitudes del calor, pues entiende que la energía interna de un sistema tiene su origen en las leyes de conservación de la energía microscópica, manifestándose a nivel macroscópico. Así, estudia el intercambio de energía entre diferentes sistemas en forma de trabajo o calor, siendo este intercambio de una forma determinada. La termodinámica tiene como eje central la idea según la cual todo sistema tiende al equilibrio (entropía). Así, toda transformación es, en realidad, un cambio de un estado de equilibrio a otro, fomentado por los cambios en el entorno. Todas las consideraciones de la termodinámica son muy útiles para varias ramas de la ingeniería y la ciencia, como los estudios sobre reacciones químicas, los agujeros negros, los motores, los cambios de fase y los fenómenos de transporte, entre muchos otros.

¿Cuáles son los principios de la termodinámica?

Los principios o leyes de la termodinámica son:

• Principio cero: según el cual todo sistema cuenta con una temperatura empírica θ, común a todos los estados de equilibrio termodinámico que estén en equilibrio mutuo con uno dado. De tal forma que, si un objeto con una determinada temperatura se coloca junto a otro con una temperatura menor, los dos tenderán a igualar sus temperaturas intercambiando calor.
• Primer principio: también conocida como primera ley de la termodinámica, según el cual la energía se conserva dentro de un sistema, por lo cual para realizar un trabajo dentro de un sistema se cambiará la energía interna del mismo o se intercambiará calor con otro sistema.
• Segundo principio: también conocida como segunda ley de la termodinámica, según el cual los procesos termodinámicos sólo pueden gestarse en una sola dirección. Es decir, la energía, en forma de calor, sólo puede ir de un foco caliente a uno frío o al entorno, y no al revés.
• Tercer principio: también conocido como tercera ley de la termodinámica o postulado de Nernst, según el cual no se puede alcanzar el cero absoluto, pues supondría el fin de todo sistema físico y una entropía constante y de valor mínimo.