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Entropía

Ley cero de la termodinámica

Ley cero de la termodinámica

La ley cero de la termodinámica afirma que "si dos sistemas que están en equilibrio térmico con un tercero, también están en equilibrio entre sí". También se la conoce como principio cero de la termodinámica.

Si A está en equilibrio con B y A también está en equilibrio térmico con C, podemos concluir que B está en equilibrio térmico con C.

Se dice que dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando, al ponerse en contacto, sus variables de estado no cambian. En torno a esta simple idea se establece la ley cero.

Curiosamente la ley cero fue la última de las leyes de la termodinámica a ser introducida. Después de la constatación de que el calor es una forma de energía que podría ser transformada en otra, la terminología pasó a ser llamada termodinámica.

Para obtener una estructura lógica en la presentación de la termodinámica, era necesario colocar otra ley antes de las que ya habían sido enunciadas préviamente. Así, esa otra ley recibió el nombre de ley cero de la termodinámica.

Con los fundamentos de esta ley podemos averiguar si dos cuerpos X e Y están en equilibrio. Para ello, basta comprobar si los dos cuerpos tienen la misma temperatura mediante un termómetro.

Enunciado de la ley cero de la termodinámica

El enunciado de la ley cero de la termodinámica dice que: "Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio entre sí".

La ley cero de la termodinámica nos permite diferenciar los cuerpos entre sí con respecto a su "grado de calentamiento". Este atributo, que es una propiedad del sistema, lo identificamos con su temperatura, que resulta ser un concepto macroscópico (medible).

A través de estos conceptos podemos entender el funcionamiento de los dispositivos llamados termómetros. Los termómetros son los aparatos que miden la temperatura de los cuerpos.

Debe destacarse que la formulación de la ley cero de la termodinámica contiene tres ideas firmes:

  • La existencia de una variable de estado, llamada temperatura.

  • La igualdad de temperaturas como una condición para el equilibrio térmico entre dos sistemas, o entre partes del mismo sistema.

  • La existencia de una relación entre las variables independientes del sistema y la temperatura, llamada ecuación de estado.

Ejemplos de la ley cero de la termodinámica

Hielo y agua

En este ejemplo, ponemos un cubito de hielo y un vaso lleno de agua caliente dentro de una caja hermética. En este experimento aparecen tres elementos: el hielo, el agua y el aire de la caja.

Ley cero de la termodinámicaInicialmente el hielo tiene una temperatura inferior a la del aire. De modo que el aire cederá energía al hielo.

El agua está a una temperatura superior a la del aire. En estas condiciones el agua cederá energía al aire.

Pasado un tiempo, el hielo tendrá la misma temperatura que el aire. El agua también tendrá la misma temperatura que el aire. Ambos elementos estarán en equilibrio térmico con el aire. Por lo tanto, según el principio 0 de la termodinámica, el agua y el hielo (ahora ya derretido) tendrán la misma temperatura.

Ejemplo del termómetro

Otro ejemplo que ayudará a comprender mejor el concepto de equilibrio térmico es el del termómetro.

Considera un cuerpo B que consiste en un tubo con un capilar conteniendo mercurio. Sus niveles de altura sobre el capilar representa diferentes temperaturas.

Ahora considera un cuerpo A. Por ejemplo el cuerpo humano. Si acercas el termómetro al cuerpo y lo dejas suficiente tiempo, el termómetro alcanzará el valor correspondiente a la temperatura corporal.

El termómetro y el cuerpo humano estarán en equilibrio térmico entre sí. Por lo tanto, tendrán el mismo valor numérico para la propiedad temperatura.

Conceptos para comprender el principio cero

Para comprender la ley cero de la termodinámica consideremos el comportamiento de dos o más sistemas constituidos de la siguiente manera.

Los sistemas A y B están separados entre sí por una pared adiabática. Una pared adiabática es una pared que no permite el intercambio de calor.

Cada uno de los dos puntos está en contacto térmico con el tercer sistema C a través de paredes diatérmicas. Estas paredes permiten el intercambio de energía térmica. Todo el conjunto está rodeado por una pared adiabática.

Nuestra experiencia dice que ambos sistemas alcanzarán el equilibrio térmico con el tercero. Además, no tendrá lugar ningún cambio posterior si la pared adiabática que separa A y B se reemplaza por una pared diatérmica.

Historia de la ley cero de la termodinámica

Las ideas de "caliente" y "frío" siempre han formado parte de las experiencias sensoriales del hombre. 

Dos de los primeros científicos que expresaron estas ideas fueron Leonardo Da Vinci y Galileo. Estos científicos sabían que al contacto con un tercer cuerpo, usualmente el aire, dos o más cuerpos en contacto con él "se mezclaban de una manera apropiada hasta alcanzar una misma condición".

Esta condición era alcanzada debido a la tendencia de los cuerpos calientes de difundir su energía a los cuerpos más fríos. Este flujo de energía es denominado calor o energía calorífica. Así, podemos percibir la tendencia del calor a difundirse de cualquier cuerpo caliente hacia otros más fríos en sus  alrededores.

Esta transferencia de calor tiene lugar hasta que ninguno de los cuerpos del sistema es capaz de absorber más calor.

Ley cero de la termodinámicaLa ley cero de la termodinámica tiene esta denominación gracias a Ralph H. Fowler (1889-1944), un gran físico inglés. En el siglo XX, después de mucho tiempo de desarrollo de la ley experimental, la consideró como una ley básica.

Sin esta ley el concepto de temperatura no podría ser definido y se postuló que: "Si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, estarán en equilibrio térmico entre sí".

Sin embargo, se hizo necesaria la estructuración de la presentación de la termodinámica de una forma más lógica. Debido a que la primera y la segunda ley ya habían sido formuladas, entonces surgió el término de la ley cero.

Desde entonces esta denominación viene siendo utilizada en física.

Resumen

La ley cero de la termodinámica establece que dos elementos que están en equilibrio térmico con un tercer elemento, los dos elementos iniciales también están en equilibrio térmico entre ellos.

    Autor:

    Fecha publicación: 29 de junio de 2016
    Última revisión: 31 de mayo de 2020