Fundamentos de la Termodinámica: Leyes, Entropía y Máquinas Térmicas

Ley Cero de la Termodinámica

La ley establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.

Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Calor

Entendemos por **calor** a cualquier clase de energía intercambiada entre un sistema cerrado y el medio ambiente, que no pueda expresarse como trabajo mecánico.

Calor Específico

Llamamos **calor específico** de una sustancia a la cantidad de calor que es necesario suministrar a 1g de dicha sustancia para elevar su temperatura en 1°, manteniendo la restricción de que no ocurra ningún cambio de fase durante el proceso.

Primer Principio de la Termodinámica

El Primer Principio de la Termodinámica puede enunciarse de varias maneras, todas ellas equivalentes entre sí:

1. La energía no puede ser creada ni destruida, solamente puede transformarse de una forma en otra.
2. La energía del universo es constante.
3. Cuando un sistema cerrado pasa de un estado inicial (de equilibrio) a un estado final (de equilibrio), la diferencia entre el calor absorbido por el sistema y el trabajo realizado por el mismo es una constante.

La relación fundamental se expresa como:

Q - W = constante

• Q: simboliza el calor intercambiado con el medio ambiente.
• W: simboliza el trabajo intercambiado con el medio ambiente.

Termoquímica: El Estudio de la Energía en Reacciones Químicas

Durante el transcurso de una reacción química, unas sustancias se transforman en otras. Esta transformación suele ir acompañada de un intercambio de energía (calorífica, eléctrica, luminosa, etc.). La **Termoquímica** es la parte de la química que se encarga de analizar las variaciones de energía (generalmente calor) que acompañan a las reacciones químicas.

Entalpía y Calor de Reacción a Presión Constante

Si la entalpía de los productos es mayor que la entalpía de los reactivos, la variación de entalpía es positiva y, en consecuencia, Qp también es positiva. A este tipo de reacción donde el sistema absorbe energía se denomina **reacción endotérmica**.

En caso contrario, si la entalpía de los reactivos es mayor que la entalpía de los productos, la variación de entalpía es negativa y, por la misma razón, el calor a presión constante también es negativo. A este tipo de reacción donde el sistema cede energía al entorno se denomina **reacción exotérmica**.

Segundo Principio de la Termodinámica

Establece que los procesos *espontáneos* del universo tienden hacia el estado de mayor desorden, aumentando la *entropía* del sistema y su entorno, o lo que es lo mismo, la entropía del universo aumenta continuamente en el tiempo.

El Segundo Principio de la Termodinámica se refiere a la utilización de la energía calorífica, estableciendo una relación cualitativa entre la cantidad de calor entregada a un fluido y el trabajo mecánico desarrollado, y viceversa.

Mediante cualquier máquina térmica, es *imposible* transformar en trabajo mecánico la totalidad de la cantidad de calor entregada a un fluido que evoluciona.

En efecto, para que la máquina térmica transformara la totalidad de la cantidad de calor entregado al fluido, sería necesario que:

Entropía (S): Medida del Desorden Termodinámico

La **entropía** es una medida del desorden del sistema, se representa con la letra S. Así, el cambio de entropía se simboliza con ΔS.

La entropía mide el grado de desorden del sistema termodinámico, de forma que una mayor entropía nos indica un mayor desorden.

Máquinas Térmicas y Conversión de Energía

Las **máquinas térmicas** convierten energía térmica en energía mecánica, aplicando el Segundo Principio de la Termodinámica.

Como ya se sabe, el trabajo se puede convertir fácilmente en otras formas de energía, pero convertir estas en trabajo no es fácil.

Características Operacionales de las Máquinas Térmicas

1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, reactor nuclear, etc.).
2. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en forma rotatoria).
3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor, de baja temperatura (la atmósfera, los ríos, etc.).
4. Operan en un ciclo.