Las tres leyes de la termodinámica

Muchos de vosotros habréis oído hablar sobre las famosas tres leyes de la termodinámica. Algunas de estas leyes han salido en series, películas… Así que, para evitar que os hagáis una idea equivocada del tema, en este artículo os contaremos algunas cositas (no todas, porque para entender todo esto más o menos hace falta un cuatrimestre entero de termodinámica en la universidad) sobre estas famosas leyes.

Primero, antes de saber nada sobre sus leyes tenemos que tener una idea sobre que es la termodinámica. Esta disciplina de la física se encarga de estudiar los fenómenos que ocurren en los sistemas, desde un punto de vista macroscópico, en función de propiedades físicas observables y medibles, como la temperatura o la presión. La termodinámica clásica, sobre la que hablaremos aquí, se limita al estudio de los estados de equilibrio y a las transformaciones que puedan representarse como una transición continua entre estados de equilibrio. Por tanto, su campo de estudio cubre todos los fenómenos inherentes a las transformaciones energéticas y su efectos sobre los estados de la materia. La termodinámica se dedica a estudiar y definir todos aquellos parámetros que afectan a nuestros sistemas de estudio como el calor, capacidades caloríficas, módulos de compresión de los materiales, trabajo, volúmenes…

 

 

Se suele decir que hay tres leyes de la termodinámica. Bueno, en realidad son cuatro porque existe la llamada ley “cero” de la termodinámica. Esta ley cero nos dice que si colocamos dos sistemas A y B en contacto prolongado manteniendo el resto del sistema global aislado A Y B acaban llegando a un equilibrio térmico, es decir, la temperatura de A y la temperatura de B se igualan. Además, si colocamos un tercer sistema C entre A y B, es decir A y B están en contacto directo con C pero no entre ambos directamente, al cabo de un tiempo suficientemente largo, las temperaturas de A, B y C se igualan.

 

Esquema de la ley cero de la termodinámica.

Parece muy simple esta ley, pero no es tan sencilla como parece. Para empezar, definir lo que es la temperatura ya es una cosa muy complicada. Hizo falta bastantes años, concretamente hasta mitad del siglo XX, solo para decidir  cual era la forma correcta de medirla (varios tipos de termómetros y muchas escalas de temperatura después), y también de como hacerlo sin modificar el dato inicial del sistema que se quiere medir. Porque, precisamente por el principio cero, sabemos que desde que pongamos el sistema en contacto con el termómetro en cuestión intercambiará parte de su temperatura con el mismo, intentando llegar al equilibrio térmico. Y por mínimo que este intercambio sea, ya no estaremos midiendo exactamente el valor real de la temperatura del sistema que estamos estudiando.

Pero dejemos de lado en este artículo el tema de la temperatura, puesto que es muy largo y tortuoso y no tenemos tiempo de explicarlo aquí. Pasemos en cambio a lo que nos incumbe. La primera de nuestras leyes que, esta vez sí, es más probable que hayáis podido oír hablar.

La primera ley de la termodinámica nos dice que es imposible construir una máquina de funcionamiento periódico que produzca energía en forma de trabajo sin consumir una cantidad equivalente de energía. En resumidas cuentas, que es imposible crear una máquina que realice trabajo perpetuo sin desaprovechar un mínimo de energía.

Es muy fácil visualizar esto. Sólo es necesario recordar todos los efectos de rozamiento, pérdidas por calor en los cables de nuestros aparatos eléctricos, etc. Si pudiéramos crear una máquina perfecta que realizase su trabajo sin gastar absolutamente nada de energía se acabarían las guerras,  problemas económicos y medioambientales, falta de recursos… relacionados con los recursos energéticos en el mundo. Por desgracia, es imposible evitar que se pierda un mínimo de energía, en mecanismos, circuitos, o incluso de nuestro propio cuerpo.

La segunda ley de la termodinámica tiene que ver también con  el calor y la energía y su aprovechamiento. Esta ley se puede expresar mediante dos enunciados que son completamente equivalentes. Estos son: el enunciado de Kelvin-Planck y el enunciado de Clausius.

Kelvin y Planck enunciaron que no era posible realizar ninguna transformación termodinámica cuyo único resultado fuese absorber calor de un único foco y que produjese una cantidad equivalente de trabajo. Como puede que esto suene un tanto extraño, veamos primero el enunciado de Clausius antes de comentar un poco su significado.

Según Clausius, no es posible ningún proceso espontáneo cuyo único resultado sea el paso de calor de un recinto a otro de mayor temperatura. Este enunciado está expresado de forma un poco más fácil de entender sin estudios previos exhaustivos sobre el tema. Básicamente lo que nos dice es que si un proceso no se desarrolla de forma espontánea, es decir que el proceso es favorable energéticamente y sucede sin que nosotros tengamos que aportar una energía externa al mismo(como cuando a temperatura ambiente se descongela un cubito de hielo de nuestro vaso mientras bebemos en la playa), hace falta precisamente aportarle una cierta energía, ya sea en forma de calor o trabajo, para que se produzca. Porque si no simplemente no ocurre. Como no se congela por sí misma el agua del mar en pleno verano. Hace falta un frigorífico con un motor que se encargue de “obligar” a que el calor de dentro salga hacia el exterior y se enfríe el interior del recinto. Y que funcione ese motor nos cuesta energía también.

 

Esquema de una máquina de vapor que funciona transformando el calor en trabajo.

Hay muchas implicaciones que se derivan de esta ley (ciclos, motores y rendimiento de los mismos entre ellas), o que son otra forma de expresar lo mismo según otros parámetros que no son ni el calor ni la energía (como por ejemplo el aumento de la entropía). Sin embargo, lo dejaremos aquí por ahora. Pasemos por tanto a nuestra tercera y última ley, que es una de las más recurrentes en el cine y la literatura.

La tercera ley de la termodinámica expresa que es imposible reducir la temperatura de un sistema hasta el cero absoluto mediante un número finito de operaciones. Es decir, que todas esas veces que escucháis sobre aparatos que llegan al cero absoluto en las películas y series… bueno, dejémoslo en que se “aproximan”. La idea es la siguiente: si nosotros vamos reduciendo la temperatura progresivamente siempre queda una pequeña parte restante. Y aunque sigamos reduciendo poco a poco, nunca llegaremos a reducirla del todo hasta el punto en que sea completamente nula. Porque siempre existirá un mínimo de energía restante en el sistema que estamos intentando enfriar. Hay mucha física detrás de este principio, entre ellas cuántica, física del vacío… ya que esto está muy relacionado con el hecho de que no podemos crear un vacío absoluto (en el que de verdad no exista nada de materia ni de radiación) y con la energía del punto cero de las partículas (que por cierto, es distinta de cero). Incluso en el espacio no encontramos ni el vacío ni el cero absoluto de temperatura. En realidad, estamos mucho más cerca de ellos en algunos de los laboratorios del planeta que en muchas otras partes del universo.

Y esto es todo lo que os vamos a contar por ahora sobre las leyes de la termodinámica, que necesitan mucho más desarrollo y profundidad de la que os hemos aportado aquí. Esperamos que al menos esto os sirva para haceros una pequeña idea de en qué consisten estas leyes y la termodinámica en general. La termodinámica es uno de los campos más amplios e interesantes de la física y se relaciona con casi todos los demás. Así que si tenéis tiempo os recomendamos que le echéis un buen vistazo. Mientras, podéis releer este artículo para mantener frescas las ideas y los ánimos ante los libros que os esperan.

Referencias

“Curso de termodinámica”. José Aguilar Peris. Alhambra Universidad. Pearson Education.

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