Desde su definición la primera ley de de la termodinámica presenta 3 limitaciones sobre los procesos termodinámicos:
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No podemos saber si un proceso es reversible o irreversible.
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No indica si el calor puede fluir de un cuerpo frío a un cuerpo caliente.
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En la práctica no es posible convertir la energía térmica en una cantidad equivalente de trabajo.
Antes de analizar al detalle cada una de estas limitaciones, conviene saber qué establece la primera ley de la termodinámica (o principio de conservación de la energía):
¿Qué nos dice la primera ley de la termodinámica?
La ley de conservación de la energía establece que el cambio en el total de energía del sistema es igual a la diferencia entre el suministrado o transmitida de calor y el suministrado o entregado parte. La energía total es la suma de energía cinética, la energía potencial, la energía interna y otras formas de energía:
Para un sistema aislado térmicamente del medio ambiente (sistema cerrado), se aplica el teorema sobre la conservación de la energía total :
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La energía interna de un sistema aislado térmicamente permanece constante.
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La energía no se puede destruir o crear, y bajo ciertas condiciones una forma de energía se puede convertir en otra.
Según la primera ley de la termodinámica, no es posible un móvil perpetuo, es decir, una máquina que genere trabajo sin suministrarle trabajo o calor y sin hacer cambios al realizar el trabajo.
Limitación 1: No podemos saber si un proceso es reversible o irreversible
Un proceso es reversible si puede producirse en un sentido u en otro. Por ejemplo, el agua se puede congelar y descongelar intercambiando calor en un proceso termodinámico en ambos sentidos.
Por otro lado, la combustión de un trozo de papel es un proceso irreversible. Una vez consumido el papel, éste se ha convertido en humo, pero no es posible volver a convertir al humo en papel.
Una de las limitaciones de la primera ley de la termodinámica es que no podemos saber si un proceso es reversible o no lo és. Según esta ley, nada impediría que pudiéramos convertir el humo en papel.
Limitación 2: No existe ninguna restricción sobre la dirección del flujo de calor
Todos los cuerpos tienen una cierta energía en su interior: la energía interna del sistema. En ocasiones esta energía puede fluir en forma de calor de un cuerpo a otro.
La experiencia nos indica que añadimos agua caliente en un vaso a temperatura ambiente, el vaso se va a calentar: parte de la energía del agua se ha transferido al vaso en forma de calor. La dirección de la transferencia de calor es clara: el calor fluye del cuerpo caliente, al cuerpo frío.
Sin embargo, ¿és possible que el calor fluya al revés? ¿es posible que parte de la energía del vaso se transfiera al agua calentándose aún más? Por experiencia sabemos que no, pero el primer principio de la termodinámica no establece ninguna restricción sobre la dirección de la transferencia de energía calorífica. En teoría, nada nos lo impediría.
Limitación 3: No es posible convertir toda la energía térmica en trabajo
Según la primera ley, la energía de un proceso termodinámico la energía total del sistema se mantiene constante. Sin embargo, en la práctica esto no sucede así y siempre hay pérdidas, sobretodo en sistemas abiertos.
Por ejemplo, en un motor de combustión no es posible convertir toda la energía térmica generada durante la combustión en trabajo mecánico.
De acuerdo con el teorema de Carnot: “No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot que funcione entre esas mismas fuentes térmicas.”
¿Y después de estas limitaciones?
Bueno, para resolver todas estas limitaciones de la primera ley de la termodinámica, poco a poco surgieron las otras leyes de la termodinámica.
La segunda ley de la termodinámica establece la existencia de la entropía en función del estado de un sistema termodinámico. Esta ley introduce el concepto de temperatura termodinámica absoluta.
En un sistema aislado, la entropía permanece sin cambios o aumenta (en procesos de no equilibrio), alcanzando un máximo cuando se establece el equilibrio termodinámico.
Finalmente apareció la ley cero de la termodinámica que establece que "si dos sistemas que están en equilibrio térmico con un tercer sistema, también están en equilibrio entre sí". Esta ley fue la última pero la colocaron por delante de los otros principios de la termodinámica.
