La termodinámica es la rama de la física que describe los efectos de los cambios de temperatura, presión y volumen de un sistema físico a un nivel macroscópico. Esta rama de la física que se enfoca en el estudio de las transformaciones de la energía, particularmente en lo que respecta al calor y el trabajo
La materia está compuesta por diferentes partículas que se mueven de manera desordenada. De acuerdo con la definición de termodinámica, esta ciencia no estudia el comportamiento de cada partícula sinó que estudia el comportamiento global de todas estas partículas.
Esta ciencia permite comprender muchos fenómenos naturales y tecnológicos, desde la eficiencia de una máquina hasta el funcionamiento del clima y el metabolismo en los seres vivos.
¿Qué estudia la termodinámica?
La termodinámica física estudia cómo se transforma y transfiere la energía en forma de calor y trabajo entre diferentes sistemas. Se centra en entender cómo estas transferencias afectan a la materia, especialmente en términos de temperatura, presión y volumen. Los principios fundamentales de la termodinámica se organizan en 4 leyes fundamentales.
Esta rama de la física estudia cómo se comporta la energía y cómo se convierte de una forma a otra, particularmente en relación con el calor y el trabajo. Para ello, analiza las propiedades de los sistemas físicos y cómo las variaciones en temperatura, presión y volumen influyen en estos sistemas. Además de las leyes fundamentales, la termodinámica se aplica a diversos procesos y tecnologías, como la creación de motores térmicos, refrigeradores y sistemas de calefacción.
Leyes de la termodinámica
Los principios de la termodinámica regulan las transformaciones relacionadas con el calor, su progreso y sus límites. Realmente, son axiomas reales basados en la experiencia en la que se basa toda la teoría.
En concreto, se pueden distinguir tres principios básicos, más un principio de "cero".
Ley cero
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. En consecuencia, cuando dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio entre sí y la propiedad compartida es la temperatura.
La primera ley
La primera ley afirma que cuando dos cuerpos a diferente temperatura están en contacto, se produce una transferencia de calor hasta un estado de equilibrio. En este nuevo estado, las temperaturas de los dos cuerpos son iguales.
El primer principio es el principio de la conservación de la energía que dice que la energía no se crea ni se destruye; únicamente se transforma.
La segunda ley
La segunda ley de la termodinçamica establece que el calor siempre fluye de un objeto caliente a un objeto frío, y que no es posible crear una máquina térmica 100% eficiente. Esto se conoce como el principio de la imposibilidad de una máquina de movimiento perpetuo de segunda especie.
Además, la segunda ley introduce el concepto de entropía, que mide la cantidad de desorden en un sistema. La entropía siempre tiende a aumentar en un sistema aislado.
La tercera ley
La tercera ley indica que es imposible alcanzar el cero absoluto con un número finito de transformaciones y proporciona una definición precisa de la magnitud llamada entropía.
Adicionalmente, la tercera ley también establece que la entropía para un sólido perfectamente cristalino, a la temperatura de 0 kelvin es igual a 0.
Sistemas termodinámicos
Un sistema termodinámico es una parte específica del universo que elegimos para estudiar y analizar desde el punto de vista de la termodinámica. Este sistema está separado de su entorno por límites, que pueden ser reales (como las paredes de un recipiente) o imaginarios (como una frontera definida solo para el propósito del estudio).
El entorno es todo lo que está fuera del sistema y puede interactuar con él.
Los límites del sistema son cruciales porque determinan cómo el sistema puede intercambiar energía y materia con su entorno. Por ejemplo, estos límites pueden permitir el paso de calor, trabajo, o incluso materia, dependiendo del tipo de sistema que estemos analizando.
Ciclos termodinámicos
Un ciclo termodinámico es una serie de procesos por los cuales un sistema termodinámico pasa de un estado inicial, a través de varios cambios de estado, y finalmente regresa al estado inicial. Estos ciclos se realizan en dispositivos como motores y refrigeradores, con el propósito de convertir energía térmica en trabajo útil, o viceversa.
El parámetro principal que se evalúa en estos ciclos es el rendimiento térmico. El rendimiento térmico (η) se calcula como el trabajo obtenido partido por el calor suministrado
Propiedades termodinámicas
Las propiedades termodinámicas son las características que describen el estado y el comportamiento de un sistema termodinámico en cualquier punto de un ciclo. Estas propiedades permiten estudiar cómo un sistema interactúa con su entorno y cómo cambia a medida que se le aplica energía en forma de calor o trabajo. Estas propiedades se dividen en dos categorías principales: intensivas y extensivas:
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Propiedades intensivas: Estas no dependen de la cantidad de materia en el sistema. Ejemplos de propiedades intensivas incluyen: la temperatura que mide el grado de calor o frío de un sistema, la presión que representa la fuerza ejercida por el sistema por unidad de área y la densidad que es la masa por unidad de volumen.
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Propiedades extensivas: Estas dependen de la cantidad de materia en el sistema. Ejemplos de propiedades extensivas incluyen la masa (cantidad de materia en el sistema), el volumen (espacio que ocupa el sistema) o la energía interna (la suma de todas las energías de las moléculas dentro del sistema.
Algunas propiedades, como la entropía y la entalpía, pueden ser más abstractas:
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Entropía: Mide el desorden o la aleatoriedad de las partículas en un sistema. A mayor entropía, mayor desorden.
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Entalpía: Es la suma de la energía interna y el producto de la presión y el volumen del sistema. Representa el contenido total de energía útil en un sistema para realizar trabajo a presión constante.
Uso y aplicaciones
A continuación enumeramos algunos ejemplos de algunas de sus aplicaciones:
- En la cocción de alimentos.
- En la automoción, la mayor parte de los motores son motores térmicos.
- En la ciencia de los materiales para obtener nuevos tipos de materiales que posean propiedades químicas y físicas bien definidas.
- Aplicaciones industriales para transformar materias primas en productos acabados utilizando maquinaria y energía.
- En el diseño arquitectónico se tienen en cuenta las transferencias térmicas entre el exterior y el interior de la vivienda, especialmente en la arquitectura bioclimática y la energía solar pasiva.
- Generación de electricidad en las centrales térmicas dónde los procesos termodinámicos permiten convertir el calor en electricidad.