Bienvenidos a la tercera clase virtual de Física II.
En esta sesión, abordaremos los siguientes Aprendizajes Esperados:
AE12.Reconocer el papel de la energía para el funcionamiento del cuerpo humano.
AE13. Probar la necesidad de transferencia de energía para producir cambios de fase.
AE14. Integrar el concepto de entropía en el modelo de conservación de la energía mecánica.
AE15.Construir máquinas térmicas con materiales de bajo costo.
AE16. Construir modelos para realizar analogías y para parafrasear la Segunda Ley de la Termodinámica.
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Material didáctico sesión 3
Para continuar con la temática de este bloque es necesario explicar las Leyes de la Termodinámica.
A continuación se explican estas leyes tan importantes en esta rama de la física.
LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA
1.
¿QUÉ SON LAS LEYES DE LA
TERMODINÁMICA?
Las leyes de la termodinámica (o los
principios de la termodinámica) describen el comportamiento de tres
cantidades físicas fundamentales, la temperatura, la energía y la entropía, que caracterizan a los
sistemas termodinámicos. El término «termodinámica» proviene del griego thermos,
que significa “calor”, y dynamos, que significa “fuerza”.
Matemáticamente, estos principios se describen
mediante un conjunto de ecuaciones que explican
el comportamiento de los sistemas termodinámicos, definidos como cualquier
objeto de estudio (desde una molécula o un ser humano, hasta la atmósfera o el
agua hirviendo en una cacerola).
Existen cuatro leyes de la termodinámica
y son cruciales para comprender las leyes físicas del universo y
la imposibilidad de ciertos fenómenos como el del movimiento perpetuo.
- ORIGEN DE LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA
Los cuatro principios de la termodinámica poseen
orígenes distintos, y algunos fueron formulados a partir de los anteriores.
El primero en establecerse, de hecho, fue el segundo, obra del físico e
ingeniero francés Nicolás Léonard Sadi Carnot en 1824.
Sin embargo, en 1860 este principio volvió
a formularse por Rudolf Clausius y William Thompson, añadiendo entonces la que
hoy llamamos la Primera Ley de la Termodinámica. Más adelante apareció la
tercera, también conocida como «postulado de Nerst» porque surgió gracias a los
estudios de Walther Nernst entre 1906 y 1912.
Finalmente, la llamada “ley cero”
apareció en 1930, propuesta por Guggenheim y Fowler. Cabe decir que no en
todos los ámbitos es reconocida como una verdadera ley.
- PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La energía
no puede crearse ni destruirse, solo transformarse.
La primera ley se llama “Ley de la
Conservación de la Energía” porque dicta que en cualquier sistema físico aislado de
su entorno, la cantidad total de energía será siempre la misma, a
pesar de que pueda transformarse de una forma de energía a otras diferentes. O
dicho en otras palabras: la energía no puede crearse ni destruirse, solo
transformarse.
De ese modo, al suministrar una cantidad
determinada de calor (Q) a un sistema físico, su cantidad total de energía podrá calcularse
como el calor suministrado menos el trabajo (W) efectuado por
el sistema sobre sus alrededores. Expresado en una fórmula: ΔU = Q – W.
Como ejemplo de esta ley, imaginemos el
motor de un avión. Se trata de un sistema termodinámico que consta de combustible que al
reaccionar químicamente durante el proceso de combustión, libera calor y
efectúa un trabajo (que hace que el avión se mueva). Entonces: si pudiéramos
medir la cantidad de trabajo realizado y de calor liberado, podríamos calcular
la energía total del sistema y concluir que la energía en el motor se mantuvo
constante durante el vuelo: ni se creó ni se destruyó energía, sino que se la
hizo cambiar de energía química a energía calórica y energía
cinética (movimiento, o sea, trabajo).
- SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Dado el
tiempo suficiente, todos los sistemas tenderán eventualmente al desequilibrio.
La segunda ley, también llamada «Ley de la
Entropía», puede resumirse en que la cantidad de entropía en el
universo tiende a incrementarse en el tiempo. Eso significa que el grado de
desorden de los sistemas aumenta hasta alcanzar un punto de equilibrio, que es
el estado de mayor desorden del sistema.
Esta ley introduce un concepto fundamental
en física: el concepto de entropía (representada con la letra
S), que en el caso de los sistemas físicos representa el grado de desorden.
Resulta que en cada proceso físico en el que hay una transformación de energía,
cierta cantidad de energía no es utilizable, es decir, no puede realizar trabajo.
Si no puede realizar trabajo, en la mayoría de los casos esa energía es calor. Ese calor que libera
el sistema, lo que hace es aumentar el desorden del sistema, su entropía. La
entropía es una medida del desorden de un sistema.
La formulación de esta ley establece
que el cambio en la entropía (dS) será siempre igual o mayor a la transferencia
de calor (dQ), dividido por la temperatura (T) del sistema. O sea, que: dS ≥ dQ / T.
Para entender esto con un ejemplo, basta
con quemar una cantidad determinada de materia y luego juntar las
cenizas resultantes. Al pesarlas, comprobaremos que es menos materia que la que
había en su estado inicial: parte de la materia se convirtió en calor en forma
de gases que no pueden realizar un trabajo sobre el
sistema y que contribuyen a su desorden.
- TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La tercera ley plantea que la
entropía de un sistema que sea llevado al cero absoluto, será una constante
definida. Dicho en otras palabras:
- Al
llegar al cero absoluto (cero en unidades de Kelvin), los procesos de los
sistemas físicos se detienen.
- Al
llegar al cero absoluto (cero en unidades de Kelvin ), la entropía posee
un valor mínimo constante.
Resulta difícil alcanzar cotidianamente el
llamado cero absoluto (-273,15 ° C), pero podemos pensar esta ley analizando lo que ocurre
en un congelador: los alimentos que depositemos allí se enfriarán
tanto, que se ralentizarán o incluso detendrán los procesos bioquímicos en su
interior. Por eso se retarda su descomposición y será apto su consumo durante mucho más
tiempo.
- LEY “CERO” DE LA TERMODINÁMICA
La “ley cero” se conoce con ese nombre
aunque fue la última en postularse. También conocida como Ley del
Equilibrio Térmico, este principio dicta que: “Si dos sistemas están
en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer
sistema, deben estar también en equilibrio térmico entre sí”. Puede expresarse
lógicamente del siguiente modo: si A = C y B = C, entonces A= B.
Esta ley nos permite comparar la energía
térmica de tres cuerpos distintos A, B, y C. Si el cuerpo A se encuentra en
equilibrio térmico con el cuerpo C (tienen la misma temperatura) y B también
tiene la misma temperatura que C, entonces A y B poseen igual temperatura.
Otra forma de enunciar este principio es
argumentar que al poner en contacto dos cuerpos con distintas temperaturas, intercambian calor hasta que sus
temperaturas se igualan.
Los ejemplos cotidianos de esta ley son
fáciles de hallar. Cuando nos metemos en agua fría o caliente,
notaremos la diferencia de temperatura solo durante los primeros minutos ya
que nuestro cuerpo luego entrará en equilibrio térmico con el agua y no notaremos más
la diferencia. Lo mismo ocurre cuando entramos a una habitación calurosa o
fría: notaremos la temperatura al principio, pero luego dejaremos de percibir
la diferencia pues entraremos en equilibrio térmico con ella.
