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TERMODINAMICA
La termodinámica se define como la ciencia de la energía. La palabra termodinámica proviene de
los vocablos griegos thermos (calor) y dinamycs (potencia), que describe los primeros esfuerzos
por convertir el calor en potencia. Hoy en día el mismo concepto abarca todos los aspectos de la
energía y sus transformaciones, incluidas la producción de potencia, la refrigeración y las
relaciones entre las propiedades de la materia. Para ello ésta se basa en la extracción de un
conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e
imperturbable.
Las primeras máquinas térmicas construidas, fueron dispositivos muy eficientes. Solo una
pequeña fracción del calor absorbido de la fuente de la alta temperatura se podía convertir en
trabajo útil. Aun al progresar la ingeniería, una fracción del calor absorbido se sigue descargando
en el escape de una máquina a baja temperatura, sin que pueda convertirse en energía mecánica.
Sigue siendo una esperanza diseñar una maquina que pueda tomar calor de un depósito
abundante, como el océano y convertirlo íntegramente en un trabajo útil. Entonces no seria
necesario contar con una fuente de calor con una temperatura más alta que el medio ambiente.
De la misma manera, podría esperarse, que se diseñara un refrigerador que simplemente
transporte calor, desde un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que tenga que gastarse trabajo
exterior. A éstos intentos se los denominan "móvil perpetuo de primera especie".
Teoría cinética de los gases.
La termodinámica se ocupa solo de variables microscópicas, como la presión, la temperatura y el
volumen. Sus leyes básicas, expresadas en términos de dichas cantidades, no se ocupan para
nada de que la materia esta formada por átomos. Sin embargo, la mecánica estadística, que
estudia las mismas áreas de la ciencia que la termodinámica, presupone la existencia de los
átomos. Sus leyes básicas son las leyes de la mecánica, las que se aplican en los átomos que
forman el sistema.
Gas Real
Los gases reales son los que en condiciones ordinarias de temperatura y presión se comportan
como gases ideales; pero si la temperatura es muy baja o la presión muy alta, las propiedades de
los gases reales se desvían en forma considerable de las de los gases ideales. (2)
Concepto de Gas Ideal y diferencia entre Gas Ideal y Real.
Los Gases que se ajusten a estas suposiciones se llaman gases ideales y aquellas que no se les
llama gases reales, o sea, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros.
1. - Un gas esta formado por partículas llamadas moléculas. Dependiendo del gas, cada molécula
esta formada por un átomo o un grupo de átomos. Si el gas es un elemento o un compuesto en su
estado estable, consideramos que todas sus moléculas son idénticas.
2. - Las moléculas se encuentran animadas de movimiento aleatorio y obedecen las leyes de
Newton del movimiento. Las moléculas se mueven en todas direcciones y a velocidades
diferentes. Al calcular las propiedades del movimiento suponemos que la mecánica newtoniana
se puede aplicar en el nivel microscópico. Como para todas nuestras suposiciones, esta
mantendrá o desechara, dependiendo de sí los hechos experimentales indican o no que nuestras
predicciones son correctas.
3. - El numero total de moléculas es grande. La dirección y la rapidez del movimiento de
cualquiera de las moléculas puede cambiar bruscamente en los choques con las paredes o con
otras moléculas. Cualquiera de las moléculas en particular, seguirá una trayectoria de zigzag,
debido a dichos choques. Sin embargo, como hay muchas moléculas, suponemos que el gran
numero de choques resultante mantiene una distribución total de las velocidades moleculares
con un movimiento promedio aleatorio,
4. - El volumen de las moléculas es una fracción despreciable pequeña del volumen ocupado por
el gas. Aunque hay muchas moléculas, son extremadamente pequeñas. Sabemos que el volumen
ocupado por una gas se puede cambiar en un margen muy amplio, con poca dificultad y que,
cuando un gas se condensa, el volumen ocupado por el liquida pueden ser miles de veces menor
que la del gas se condensa. De aquí que nuestra suposición sea posible.
5. - No actúan fuerzas apreciables sobre las moléculas, excepto durante los choques. En el grado
de que esto sea cierto, una molécula se moverá con velocidad uniformemente los choques. Como
hemos supuesto que las moléculas sean tan pequeñas, la distancia media entre ellas es grande
en comparación con el tamaño de una de las moléculas. De aquí que supongamos que el alcance
de las fuerzas moleculares es comparable al tamaño molecular.
6. - Los choques son elásticos y de duración despreciable. En los choques entre las moléculas
con las paredes del recipiente se conserva el ímpetu y (suponemos) la energía cinética. Debido a
que el tiempo de choque es despreciable comparado con el tiempo que transcurre entre el
choque de moléculas, la energía cinética que se convierte en energía potencial durante el choque,
queda disponible de nuevo como energía cinética, después de un tiempo tan corto, que podemos
ignorar este cambio por completo. (2)
Ecuación General de los Gases
En las leyes de los gases, la de Boyle, la de Charles y la Gay-Lussac, la masa del gas es fija y una
de las tres variables, la temperatura, presión o el volumen, también es constante. Utilizando una
nueva ecuación, no solo podemos variar la masa, sino también la temperatura, la presión y el
volumen. La ecuación es:
PV = nRT
De esta ecuación se despejan las siguientes incógnitas.
Características de Gas Ideal
Se considera que un gas ideal presenta las siguientes características:
El número de moléculas es despreciable comparado con el volumen total de un gas.
No hay fuerza de atracción entre las moléculas.
Las colisiones son perfectamente elásticas.
Evitando las temperaturas extremadamente bajas y las presiones muy elevadas, podemos
considerar que los gases reales se comportan como gases ideales. (2)
Propiedades de los gases
Los gases tienen 3 propiedades características: (1) son fáciles de comprimir, (2) se
expanden hasta llenar el contenedor, y (3) ocupan mas espacio que los sólidos o líquidos que los
conforman.
COMPRESIBILIDAD
Una combustión interna de un motor provee un buen ejemplo de la facilidad con la cual los gases
pueden ser comprimidos. En un motor de cuatro pistones, el pistón es primero halado del
cilindro para crear un vacío parcial, es luego empujado dentro del cilindro, comprimiendo la
mezcla de gasolina/aire a una fracción de su volumen original. (5)
EXPANDIBILIDAD
Cualquiera que halla caminado en una cocina a donde se hornea un pan, ha experimentado el
hecho de que los gases se expanden hasta llenar su contenedor, mientras que el aroma del pan
llena la cocina. Desgraciadamente la misma cosa sucede cuando alguien rompe un huevo podrido
y el olor característico del sulfito de hidrógeno (H2S), rápidamente se esparce en la habitación,
eso es porque los gases se expanden para llenar su contenedor. Por lo cual es sano asumir que
el volumen de un gas es igual al volumen de su contenedor. (5)
Ley de Boyle
La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente
proporcional al volumen del recipiente. Esto quiere decir que si el volumen del contenedor
aumenta, la presión en su interior disminuye y, viceversa, si el volumen del contenedor
disminuye, la presión en su interior aumenta.
La ley de Boyle permite explicar la ventilación pulmonar, proceso por el que se intercambian
gases entre la atmósfera y los alvéolos pulmonares. El aire entra en los pulmones porque la
presión interna de estos es inferior a la atmosférica y por lo tanto existe un gradiente de presión.
Inversamente, el aire es expulsado de los pulmones cuando estos ejercen sobre el aire contenido
una presión superior a la atmosférica (1)
De la Ley de Boyle se sabe que la presión es directamente proporcional a la temperatura con lo
cual la energía cinética se relaciona directamente con la temperatura del gas
La ley de Charles establece que el volumen de un gas es directamente proporcional a su
temperatura absoluta, asumiendo que la presión de mantiene constante. Esto quiere decir que en
un recipiente flexible que se mantiene a presión constante, el aumento de temperatura conlleva
un aumento del volumen. (1)
Ley de Gay-Lussac
En 1802, Joseph Gay-Lussac publicó los resultados de sus experimentos que, ahora conocemos
como Ley de Gay-Lussac. Esta ley establece, que, a volumen constante, la presión de una masa
fija de un gas dado es directamente proporcional a la temperatura kelvin. (2)
Conclusión
Los gases, aunque no se puedan ver, constituyen una gran parte de nuestro ambiente, y quehacer
diario, ya que ellos son los responsables de transmitir: sonidos, olores, etc. Los gases poseen
propiedades extraordinarias, como por ejemplo: que se puede comprimir a solamente una
fracción de su volumen inicial, pueden llenar cualquier contenedor, o que el volumen de una gas
comparado con el mismo componente, sólido o líquido tiene una diferencia de casi 800 veces la
proporción. Esto hace posible de que una cantidad n de un gas puede entrar en un contenedor
cualquiera y que este gas llenaría el contenedor...
LA TERMODINÁMICA Y EL CONCEPTO DE ENTROPIA
Definición de algunos conceptos.
La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los
sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un
sistema y otro. A las magnitudes macroscópicas que se relacionan con el estado interno de un
sistema se les llama coordenadas termodinámicas; éstas nos van a ayudar a determinar la
energía interna del sistema. En resumen, el fin último de la termodinámica es encontrar entre las
coordenadas termodinámicas relaciones generales coherentes con los principios básicos de la
física
La Ley cero
La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con
diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo determinado t, estos
alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán ambos la misma temperatura. Si luego un
tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma
temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto.
De este principio podemos inducir el de temperatura, la cual es una condición que cada cuerpo
tiene y que el hombre ha aprendido a medir mediante sistemas arbitrarios y escalas de referencia
(escalas termométricas).
La Primera Ley
La Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos
dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante
un proceso, la energía interna del sistema variará. A la diferencia de la energía interna del sistema
y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por
medios no mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metálico con agua;
podemos elevar la temperatura del agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo
en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo
le transmitimos calor.
Cabe aclarar que la energía interna de un sistema, el trabajo y el calor no son más que diferentes
manifestaciones de energía. Es por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que,
durante un proceso solamente se transforma en sus diversas manifestaciones.
La Segunda Ley
Por último, vamos a ver el contenido de la segunda ley de la termodinámica. En términos más o
menos sencillos diría lo siguiente: “No existe un proceso cuyo único resultado sea la absorción
de calor de una fuente y la conversión íntegra de este calor en trabajo”.
La entropía, el desorden y el grado de organización.
Vamos a imaginar que tenemos una caja con tres divisiones; dentro de la caja y en cada división
se encuentran tres tipos diferentes de canicas: azules, amarillas y rojas, respectivamente. Las
divisiones son movibles así que me decido a quitar la primera de ellas, la que separa a las canicas
azules de las amarillas. Lo que estoy haciendo dentro del punto de vista de la entropía es quitar
un grado o índice de restricción a mi sistema; antes de que yo quitara la primera división, las
canicas se encontraban separadas y ordenadas en colores: en la primera división las azules, en la
segunda las amarillas y en la tercera las rojas, estaban restringidas a un cierto orden.
Al quitar la segunda división, estoy quitando también otro grado de restricción. Las canicas se
han mezclados unas con otras de tal manera que ahora no las puedo tener ordenas pues las
barreras que les restringían han sido quitadas.
La entropía de este sistema ha aumentado al ir quitando las restricciones pues inicialmente había
un orden establecido y al final del proceso (el proceso es en este caso el quitar las divisiones de
la caja) no existe orden alguno dentro de la caja.
La entropía es en este caso una medida del orden (o desorden) de un sistema o de la falta de
grados de restricción; la manera de utilizarla es medirla en nuestro sistema inicial, es decir, antes
de remover alguna restricción, y volverla a medir al final del proceso que sufrió el sistema.
Entropía, procesos reversibles y procesos irreversibles.
Volviendo al ejemplo anterior de la caja con separaciones y canicas, vamos a explicar qué es un
proceso reversible y qué un proceso no reversible.
Llamamos proceso reversible al que se puede invertir y dejar a nuestro sistema en las mismas
condiciones iniciales. Teniendo en cuenta
nuestra caja ya sin las separaciones, tenemos a las canicas revueltas unas con otras, es decir,
sin un orden. Si el proceso que efectuamos de quitar las divisiones fuera reversible, las canicas
tendrían que ordenarse espontáneamente en azules, amarillas y rojas, según el orden de las
divisiones. Esto no ocurrirá.
El proceso que efectuamos con nuestra caja de canicas fue un proceso no reversible, en donde
una vez terminado, el orden que había en las condiciones iniciales del sistema ya nunca volverá a
establecerse. El estudio de este tipo de procesos es importante porque en la naturaleza todos los
procesos son irreversibles.
La entropía y la energía “gastada”.
En el principio enunciado por Clausius que anteriormente citamos, podemos encontrar la relación
con la entropía y la energía liberada en un proceso. Pensemos en un motor. El motor necesita de
una fuente de energía para poder convertirla en trabajo. Si pensamos en un coche, la gasolina,
junto con el sistema de chispa del motor, proporciona la energía (química) de combustión, capaz
de hacer que el auto se mueva. ¿qué tiene que ver la entropía aquí?
La energía que el coche “utilizó” para realizar trabajo y moverse, se “gastó”, es decir, es energía
liberada mediante un proceso químico que ya no es utilizable para que un motor produzca
trabajo.
Este es uno de los conceptos más difíciles de entender de la entropía, pues requiere un
conocimiento un poco menos trivial del funcionamiento de motores, frigoríficos y el ciclo de
Carnot. Pero para nuestros fines con esta explicación es suficiente.
¿Para qué sirve la entropía?
La entropía, como medida del grado de restricción o como medida del desorden de un sistema, o
bien en ingeniería, como concepto auxiliar en los problemas del rendimiento energético de las
máquinas, es una de las variables termodinámicas más importantes.
INTRODUCCION
CALOR
Para la física, es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes
cuerpos, en debido a una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye
de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la
temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se
mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de
temperatura alta si no se realiza trabajo. Existen una serie de conceptos relacionados con el
calor, entre los que podemos encontrar:
Energía Interna: cantidad total de todas las clases de energía que posee un cuerpo, las cuales se
pueden manifestar según las propiedades de éste. Por ejemplo, un metal que posee varios tipos
de energía (calórica, potencial gravitacional, química…), puede manifestar la que suscite al
momento; si éste es alcanzado por un rayo, esa energía es la que manifestará.
Caloría: es una antigua unidad que sirve para medir las cantidades de calor. La caloría-gramo
(cal), suele definirse como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1 gramo
de agua, por ejemplo, de 14,5 a 15,5 °C. La definición más habitual es que 1 caloría es igual a
4,1840 joules. En ingeniería se emplea la caloría internacional, que equivale a 1/860 vatios/hora
(4,1868 J). Una caloría grande o kilocaloría (Cal), muchas veces denominada también caloría, es
igual a 1.000 calorías-gramo, y se emplea en dietética para indicar el valor energético de los
alimentos.
Calor Específico: es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de
masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico
se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por
gramo y grado centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado
centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su
temperatura en un grado centígrado.
Dilatación térmica: Aumento del volumen de los cuerpos al calentarse. Es mayor en los gases que
en los líquidos y reducida en los sólidos. Además varía según la composición química de los
cuerpos.
Transferencia del Calor
• Por Conducción
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción, la cual se da por
contacto directo entre las sustancias. Por ejemplo, si se calienta un extremo de una varilla
metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío
por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor
en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que
transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura y el movimiento que los mismos
átomos ejercen. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a
ser buenos conductores del calor, como lo son los metales de transición interna.
• Por Convección
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se
producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra
por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se
calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el
líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso
asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido
exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural.
La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se
fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido
más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la
cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente
asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de
circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más
caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima.
• Por Radiación
La radiación presenta una diferencia respecto a la conducción y la convección: las sustancias
que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un
vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos
relacionados con ondas electromagnéticas. La única explicación general satisfactoria de la
radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación
se comporta, a veces, como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. Para
cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo
ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos
reales emiten con una intensidad algo menor.
TEMPERATURA
Mediante el contacto de la epidermis con un objeto se perciben sensaciones de frío o de calor.
Los conceptos de calor y frío son totalmente relativos y sólo se pueden establecer con la relación
a un cuerpo de referencia como, por ejemplo, la mano del hombre. Lo que se percibe con más
precisión es la temperatura del objeto o, más exactamente todavía, la diferencia entre la
temperatura del mismo y la de la mano que la toca. Ahora bien, aunque la sensación
experimentada sea tanto más intensa cuanto más elevada sea la temperatura, se trata sólo una
apreciación muy poco exacta que no puede considerarse como medida de temperatura. Para
efectuar esta última se utilizan otras propiedades del calor, como la dilatación, cuyos efectos son
susceptibles. Temperatura es, entonces, la cantidad de calor que posee un cuerpo.
La cantidad de calor que hay que proporcionar a un cuerpo para que su temperatura aumente en
un número de unidades determinado es tanto mayor cuanto más elevada es la masa de dicho
cuerpo y es proporcional a lo que se denomina calor específico de la sustancia de que está
constituido. Cuando se calienta un cuerpo en uno de sus puntos, el calor se propaga a los que
son próximos y la diferencia de temperatura entre el punto calentado directamente y otro situado
a cierta distancia es tanto menor cuando mejor conducto del calor es dicho cuerpo.
2ª Ley de la Termodinámica: "Ley de Entropía"
Es la más universal de las leyes físicas; e introduce una definición de una propiedad llamada
entropía. "La entropía de un sistema aislado aumenta con el tiempo o, en el mejor de los casos,
permanece constante, mientras que la entropía del universo, como un todo, crece
inexorablemente hacia un máximo". La entropía se puede considerar como una medida de lo
próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también se puede considerar como una
medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. En su interpretación más general, establece
que cada instante el Universo se hace más desordenado. Hay un deterioro general hacia el caos.
Uno de los patrones fundamentales de comportamiento que encontramos en el mundo físico es la
tendencia de las cosas a desgastarse y agotarse. Las cosas tienden hacia un estado de equilibrio.
En todas partes podemos encontrar ejemplos de la Segunda Ley: los edificios se derrumban, la
gente envejece, las montañas y las costas se erosionan, los recursos naturales se agotan.
La 2ª ley de la Termodinámica, una ley fundamental relacionada con la naturaleza del calor. La
cantidad perdida no permanece solo como calor, sino que se convierte en calor a una menor
temperatura, del cual solo se puede transformar en otras formas de energía una pequeña
cantidad. Se podrían solucionar todos los problemas de energía de la humanidad si, por ejemplo,
se pudiera extraer la energía calorífica de los océanos, dejándolos ligeramente más fríos y
convirtiendo el calor extraído en electricidad, pero la 2ª ley nos dice que eso no es posible. Se los
llama "móvil perpetuo de segunda especie", los cuales suponen une remota posibilidad mas
grande que los de primera especie.
Definición de Clausius de la segunda ley: El calor no puede, por sí mismo, pasar de un cuerpo
más frío a uno más caliente.
Definición de Kelvin-Planck de la segunda ley: Es imposible para un sistema experimentar un
proceso cíclico cuyo único resultado sea la absorción de calor de un único depósito a una única
temperatura y la transformación en una cantidad equivalente de trabajo.
3ª Ley de la Termodinámica: "Ley del Cero Absoluto"
En el análisis de muchas reacciones químicas es necesario fijar un estado de referencia para la
entropía. Este siempre puede escogerse algún nivel arbitrario de referencia cuando solo se
involucra un componente; para las tablas de vapor convencionales se ha escogido 320F.
LA TERMODINAMICA Y EL CONCEPTO DE ENTROPIA
Definición de algunos conceptos.
La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los sistemas
físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro. A
las magnitudes macroscópicas que se relacionan con el estado interno de un sistema se les llama
coordenadas termodinámicas; éstas nos van a ayudar a determinar la energía interna del sistema. En
resumen, el fin último de la termodinámica es encontrar entre las coordenadas termodinámicas
relaciones generales coherentes con los principios básicos de la física (recuérdese el principio de la
conservación de la energía que tratamos en el número 3 de "Horizonte Social).
La termodinámica basa sus análisis en algunas leyes: La Ley "cero", referente al concepto de
temperatura, la Primera Ley de la termodinámica, que nos habla de el principio de conservación de la
energía, la Segunda Ley de la termodinámica, que nos define a la entropía. A continuación vamos a
hablar de cada una de estas leyes, haciendo hincapié en la segunda ley y el concepto de entropía.
La Ley cero
La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente
temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo determinado t, estos alcanzarán la
misma temperatura, es decir, tendrán ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que
llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo tanto, A,
B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto.
De este principio podemos inducir el de temperatura, la cual es una condición que cada cuerpo tiene y
que el hombre ha aprendido a medir mediante sistemas arbitrarios y escalas de referencia (escalas
termométricas).
La Primera Ley
La Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice
que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso,
la energía interna del sistema variará. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de
trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos.
Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metálico con agua; podemos elevar la temperatura del
agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un mechero; en el primer caso,
estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor.
Cabe aclarar que la energía interna de un sistema, el trabajo y el calor no son más que diferentes
manifestaciones de energía. Es por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que, durante un
proceso solamente se transforma en sus diversas manifestaciones.
La Segunda Ley
Por último, vamos a ver el contenido de la segunda ley de la termodinámica. En términos más o menos
sencillos diría lo siguiente: "No existe un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor de
una fuente y la conversión íntegra de este calor en trabajo". Este principio (Principio de KelvinPlanck) nació del estudio del rendimiento de máquinas y mejoramiento tecnológico de las mismas. Si
este principio no fuera cierto, se podría hacer funcionar una central térmica tomando el calor del medio
ambiente; aparentemente no habría ninguna contradicción, pues el medio ambiente contiene una cierta
cantidad de energía interna, pero debemos señalar dos cosas: primero, la segunda ley de la
termodinámica no es una consecuencia de la primera, sino una ley independiente; segundo, la segunda
ley nos habla de las restricciones que existen al utilizar la energía en diferentes procesos, en nuestro
caso, en una central térmica. No existe una máquina que utilice energía interna de una sola fuente de
calor.
El concepto de entropía fue introducido por primera vez por Rudolf Clausius a mediados del siglo XIX.
Clausius, ingeniero francés, también formuló un principio para la Segunda ley: "No es posible proceso
alguno cuyo único resultado sea la transferencia de calor desde un cuerpo frío a otro más
caliente". En base a este principio, Clausius introdujo el concepto de entropía, la cual es una medición
de la cantidad de restricciones que existen para que un proceso se lleve a cabo y nos determina también
la dirección de dicho proceso. Vamos ahora a hablar de las tres acepciones más importantes de la
palabra entropía.
La entropía, el desorden y el grado de organización
Vamos a imaginar que tenemos una caja con tres divisiones; dentro de la caja y en cada división se
encuentran tres tipos diferentes de canicas: azules, amarillas y rojas, respectivamente. Las divisiones
son movibles así que me decido a quitar la primera de ellas, la que separa a las canicas azules de las
amarillas. Lo que estoy haciendo dentro del punto de vista de la entropía es quitar un grado o índice de
restricción a mi sistema; antes de que yo quitara la primera división, las canicas se encontraban
separadas y ordenadas en colores: en la primera división las azules, en la segunda las amarillas y en la
tercera las rojas, estaban restringidas a un cierto orden.
Al quitar la segunda división, estoy quitando también otro grado de restricción. Las canicas se han
mezclados unas con otras de tal manera que ahora no las puedo tener ordenas pues las barreras que les
restringían han sido quitadas.
La entropía de este sistema ha aumentado al ir quitando las restricciones pues inicialmente había un
orden establecido y al final del proceso (el proceso es en este caso el quitar las divisiones de la caja) no
existe orden alguno dentro de la caja.
La entropía es en este caso una medida del orden (o desorden) de un sistema o de la falta de grados de
restricción; la manera de utilizarla es medirla en nuestro sistema inicial, es decir, antes de remover
alguna restricción, y volverla a medir al final del proceso que sufrió el sistema.
Es importante señalar que la entropía no está definida como una cantidad absoluta S (símbolo de la
entropía), sino lo que se puede medir es la diferencia entre la entropía inicial de un sistema Si y la
entropía final del mismo Sf. No tiene sentido hablar de entropía sino en términos de un cambio en las
condiciones de un sistema.
Entropía, procesos reversibles y procesos irreversibles
Volviendo al ejemplo anterior de la caja con separaciones y canicas, vamos a explicar qué es un proceso
reversible y qué un proceso no reversible.
Llamamos proceso reversible al que se puede invertir y dejar a nuestro sistema en las mismas
condiciones iniciales. Teniendo en cuenta nuestra caja ya sin las separaciones, tenemos a las canicas
revueltas unas con otras, es decir, sin un orden. Si el proceso que efectuamos de quitar las divisiones
fuera reversible, las canicas tendrían que ordenarse espontáneamente en azules, amarillas y rojas,
según el orden de las divisiones. Esto no ocurrirá.
El proceso que efectuamos con nuestra caja de canicas fue un proceso no reversible, en donde una vez
terminado, el orden que había en las condiciones iniciales del sistema ya nunca volverá a establecerse.
El estudio de este tipo de procesos es importante porque en la naturaleza todos los procesos son
irreversibles.
La entropía y la energía "gastada"
En el principio enunciado por Clausius que anteriormente citamos, podemos encontrar la relación con la
entropía y la energía liberada en un proceso. Pensemos en un motor. El motor necesita de una fuente de
energía para poder convertirla en trabajo. Si pensamos en un coche, la gasolina, junto con el sistema de
chispa del motor, proporciona la energía (química) de combustión, capaz de hacer que el auto se mueva.
¿qué tiene que ver la entropía aquí?
La energía que el coche "utilizó" para realizar trabajo y moverse, se "gastó", es decir, es energía liberada
mediante un proceso químico que ya no es utilizable para que un motor produzca trabajo.
Este es uno de los conceptos más difíciles de entender de la entropía, pues requiere un conocimiento un
poco menos trivial del funcionamiento de motores, frigoríficos y el ciclo de Carnot. Pero para nuestros
fines con esta explicación es suficiente.
¿Para qué sirve la entropía?
La entropía, como medida del grado de restricción o como medida del desorden de un sistema, o bien en
ingeniería, como concepto auxiliar en los problemas del rendimiento energético de las máquinas, es una
de las variables termodinámicas más importantes. Su relación con la teoría del caos le abre un nuevo
campo de estudio e investigación a este tan "manoseado" concepto.