Termodinámica: qué es, tipos y ejemplos

¿Qué es la termodinámica?

El término termodinámica, viene del griego de donde toma dos palabras que juntas hablan de la fuerza del calor. Entonces podemos comprender que la termodinámica es una extensión de la física que se encarga de estudiar la mecánica del calor. 

Además estudia sus acciones y no sólo del calor sino de algunas otras formas de energía. La termodinámica busca abordar cada objeto como si fuera un sistema microscópico real. Esto lo hace utilizando el método científico y el mismo razonamiento deductivo. Además prestan mucha atención a todas las variables extensivas que se puedan presentar.

Un ejemplo de esto es la entropía, el volumen o la energía interna. Además otras variables, que no son extensivas, son por ejemplo la temperatura, el potencial químico, el peso, etc. Sin embargo, aunque la termodinámica es una ciencia muy completa, en sus estudios no arroja alguna interpretación en cuanto a las magnitudes en las que profundiza su estudio. 

Los objetos de estudio en esta rama de la física, en todo momento son sistemas que se mantienen en estado de equilibrio. Esto quiere decir que son sistemas que tienen características que se pueden determinar. Proceso que se hace por medio de sus elementos internos y no por esas fuerzas que que ejercen alguna acción sobre ellas. Es por esta razón que el intercambio de energía se da de un sistema a otro como calor o a manera de trabajo. 

La historia de la termodinámica

Esta ciencia comenzó a estudiarse de manera formal por Otto von Guericke en el año 1650. Este físico y jurista que nació en Alemania fue el que se encargó de diseñar y construir lo que se conoció como la primera bomba de vacío.

De esta manera pudo refutar al mismo Aristóteles usando todas sus aplicaciones. Aristóteles mantenía una máxima que decía que “la naturaleza aborrece el vacío”. 

Un tiempo después de este invento, fue el turno de Robert Boyle y Robert Hooke. Los dos fueron los científicos que se encargaron de perfeccionar todo el sistema y luego fueron los que observaron la correlación que existe entre la temperatura, el volumen y la presión. Esto fue lo que dió origen a lo que en la actualidad se conoce como los principios de la termodinámica. 

Las leyes de la termodinámica

Estas leyes son las que se encargan de regir la termodinámica. Se trata de cuatro leyes o principios que se consideran fundamentales. Estas se formulan gracias a la ayuda de algunos científicos que han participado en toda la historia de la termodinámica. Las leyes o principios son: 

Principio 0: Ley del equilibrio térmico

Primero tenemos la obligación de aclarar que esta fue la última ley que se pudo establecer. Sin embargo se conoce como la ley cero porque sus preceptos, los cuales son fundamentales y básicos, se ubican como prioridad sobre las demás leyes. 

En esta ley lo que se establece es que “si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, entonces deben estar también en equilibrio térmico entre sí. 

Principio 1: Ley de conservación de la energía

En esta ley se establece que una cantidad total de energía que funcione en un sistema físico que se mantenga a aislado de su propio entorno, será siempre igual. Aunque existe la posibilidad de que pueda hacer alguna transformación de su energía por alguna otra que sea totalmente diferente. 

Principio 2: Ley de la entropía

En este caso, hablamos de un principio que establece que “la cantidad de entropía en el universo tiende a incrementarse en el tiempo”. 

Esto lo que quiere decir es que el grado que existe de desorden en los sistemas, que es lo que quiere decir la entropía, cuando alcanza un punto específico de su equilibrio, entonces aumenta. De esta manera, cuando ha pasado un tiempo suficiente, los sistemas tenderán a cierto desequilibrio. 

Este principio sirve para poder explicar lo que es la irreversibilidad que tienen los fenómenos físicos. Por ejemplo, una vez que un papel es quemado, no puede regresar a lo que era antes de pasar por el fuego. 

Principio 3: Ley del cero absoluto

Aquí lo que se dicta es que todo esto de la entropía que tiene un sistema, cuando es llevado al cero absoluto, entonces siempre se mantendrá como una constante definida. Esto quiere decir que cuando se llega a ese cero absoluto, todos sus procesos de sistema que sean físicos deben llegar a su fin.

Por ejemplo: -273, 15 ºC o 0 K. En este caso la entropía entonces tomará un valor que es mínimo y se mantiene constante. 

Los sistemas termodinámicos

Estos son métodos de estudio que se aplican a la termodinámica. Para clasificar estos sistemas se siguió un criterio principal basado en qué tan aislado se mantiene del entorno. Todo esto determinó entonces el siguiente orden.

  • Los sistemas abiertos: Son esos en donde la energía se intercambia de manera libre con todo su entorno, igual que la materia. Esto es algo que ocurre con la mayoría de sistemas que se conocen de manera cotidiana. Por ejemplo, cuando vemos un vaso lleno de agua fría que, de manera muy lenta, se va calentando. Esto ocurre por el calor que se encuentra en el aire a su alrededor. 
  • Los sistemas cerrados: Es cuando se intercambia toda la energía con el entorno, pero no se puede hacer con la materia. Por ejemplo cuando vemos una lata que está totalmente cerrada en la que el contenido es invariable. Pero que de igual manera  con el tiempo pierde su calor y lo disipa a su alrededor.
  • Los sistemas aislados:  Estos sistemas son los que no pueden intercambiar energía ni materia, hasta cierto punto, con lo que tienen alrededor.  Es importante mencionar que los sistemas que son totalmente aislados no existen. Por ejemplo cuando se usa un termo para conservar agua caliente, ahí se mantendrá aislado el calor pero sólo durante un rato.

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