Las leyes de la termodinámica son un conjunto de leyes sobre las que se basa la física de la termodinámica. En concreto, se trata de cuatro leyes que son universalmente válidas cuando se aplican a sistemas que caen dentro de las restricciones implícitas en cada uno.
Con el tiempo, estos principios se han convertido en "leyes". 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.
Curiosamente, la ley cero se formuló después de haber enunciado las otras tres leyes y es una consecuencia de todas ellas. Por esta razón, tiene la posición 0.
¿Cuáles son las leyes de la termodinámica?
En las diversas descripciones teóricas de la termodinámica, estas leyes pueden expresarse en formas aparentemente diferentes, pero las formulaciones más destacadas son las siguientes:
- La ley cero establece que “si dos sistemas termodinámicos que están en equilibrio térmico con un tercero, también están en equilibrio entre sí”.
- La primera ley establece que “La energía total de un sistema aislado ni se crea ni se destruye, permanece constante”.
- La segunda ley establece que la cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse. De esta ley se extrae que no existe la eficiencia del 100% de una máquina térmica. También se extrae que no todos los procesos termodinámicos son reversibles.
- La tercera ley establece que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto (0 kelvin).
Ley cero: ley del equilibrio termodinámico
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. El principio 0 no fue formulado formalmente hasta después de haber enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición 0.
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 han llegado a un punto de equilibrio. Al estar en equilibrio, no varían a lo largo del tiempo.
A estas variables empíricas (experimentales) de un sistema se les conoce como coordenadas termodinámicas del sistema. Entre otras variables empíricas tenemos: presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, etc.
Primera ley: conservación de la energía
La primera ley de la termodinámica postula que la energía total de un sistema aislado se mantiene constante; ni se crea ni se destruye, simplemente se transforma de una forma a otra. Por ejemplo, en un motor térmico, la energía térmica resultante de la combustión se convierte en energía mecánica.
Esta ley, también conocida como la ley de la conservación de la energía, establece que al realizar trabajo sobre un sistema o intercambiar calor con otro, la energía interna del sistema experimentará cambios. En términos más sencillos, la ley permite conceptualizar el calor como la cantidad de energía que un sistema debe intercambiar para equilibrar las discrepancias entre el trabajo realizado y la energía interna. Antoine Lavoisier fue el pionero en proponer esta fundamental ley termodinámica.
Segunda ley: principio de la entropía
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. Por ejemplo, la transferencia de calor se puede producir de un cuerpo caliente a otro frío, pero no a la inversa.
También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas. Por ejemplo, en un motor ideal, la cantidad de calor suministrada se convierte en trabajo mecánico. Sin embargo, en un motor real, parte del calor suministrado se pierde.
Esta ley permite definir la entropía. La variación de la cantidad de entropía de un sistema aislado siempre debe ser mayor o igual a cero y sólo es igual a cero si el proceso es reversible.
La primera y segunda leyes surgieron simultáneamente en la década de 1850. Principalmente fue el resultado de las obras de William Rankine, Rudolf Clausius y William Thomson (Lord Kelvin).
Tercera ley: principio del cero absoluto
La tercera ley de la termodinámica postula que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. El cero absoluto se sitúa en 0 kelvin, equivalente a -273 grados Celsius, y esta ley, fundamentalmente propuesta por Walther Nernst, establece limitaciones fundamentales en la aproximación a estas condiciones extremas.
A medida que la temperatura se acerca al cero absoluto, la entropía de cualquier sistema tiende a cero, lo que implica una ordenación máxima y una mínima agitación molecular. En otras palabras, el desorden del sistema se reduce a su mínima expresión conforme se alcanza el límite térmico más bajo posible.
Este principio puede ser también formulado de la siguiente manera: a medida que un sistema específico se aproxima al cero absoluto, su entropía converge hacia un valor constante específico. Este aspecto de la tercera ley de la termodinámica destaca la regularidad intrínseca que se manifiesta en los sistemas a temperaturas extremadamente bajas.