Principios Fundamentales de la Termodinámica: Energía, Entropía y Procesos

Principios Fundamentales de la Termodinámica

Las Leyes de la Termodinámica

La termodinámica se rige por principios fundamentales que describen cómo la energía se comporta en los sistemas físicos.

Primera Ley de la Termodinámica

La primera ley de la termodinámica relaciona el trabajo y el calor transferido intercambiado en un sistema a través de una nueva variable termodinámica: la energía interna. Dicha energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

Segunda Ley de la Termodinámica

La segunda ley de la termodinámica establece que:

• Cualquier proceso que ocurre espontáneamente produce un aumento de la entropía del universo.
• En todo sistema en equilibrio, la entropía del universo permanece constante.
• En todo proceso irreversible, la entropía del universo aumenta.

Tercera Ley de la Termodinámica

La tercera ley de la termodinámica afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas. También se puede definir como que al llegar al cero absoluto, 0 grados Kelvin:

• Cualquier proceso de un sistema físico se detiene.
• La entropía alcanza un valor mínimo y constante.

Resumen de las Leyes

Para resumir, la primera ley de termodinámica habla sobre la conservación de la energía entre los procesos, mientras que la segunda ley de la termodinámica trata sobre la direccionalidad de los procesos, es decir, de menor a mayor entropía (en el universo en general).

Variables Termodinámicas Clave

A continuación, se definen conceptos esenciales utilizados en el estudio de la termodinámica:

• Energía Interna: Es una caracterización macroscópica de la energía microscópica de todas las partículas que componen un sistema. Un sistema está formado por una gran cantidad de partículas en movimiento.
• Calor (Q): Entendido como la transferencia de energía a través de una frontera de un sistema debido a la diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno. En sí, el calor es energía en tránsito. Fórmula: $Q = mcT$.
• Trabajo (W): Ocurre cuando una parte del medio ejerce una fuerza sobre el sistema y este se mueve una distancia $X$ desde el punto de aplicación de la fuerza.
• Entalpía (H): Las variaciones de la entalpía expresan la cantidad de calor que un sistema termodinámico (un cuerpo) pierde o gana durante el desarrollo de un proceso isobárico (es decir, a presión constante). El sistema en cuestión, según el caso, aporta o recibe energía que intercambia con el ambiente externo.
• Entropía (S): Es el grado de aleatoriedad o desorden en un sistema. Puesto que sabemos que cada transferencia de energía resulta en la conversión de una parte de energía en una forma no utilizable (como calor) y que el calor que no realiza trabajo se destina a aumentar el desorden del universo.

Clasificación de Procesos

Procesos Reversibles

REVERSIBLE: Proceso que se puede revertir sin dejar ningún rastro en los alrededores. Son más eficientes porque no se utiliza parte del trabajo.

Procesos Irreversibles

IRREVERSIBLES: Factores que causan un proceso sean irreversibles incluyen: fricción, expansión libre de un gas, y transferencia de calor debida a variación del tiempo.

Ciclo de Carnot

CARNOT: Es el ciclo reversible más conocido. La máquina térmica que opera en este ciclo se llama máquina térmica de Carnot (ejemplo: un cilindro).