Principio Cero de la Termodinámica (Primera Ley): Definición, importancia y ejemplos

¿Qué es la termodinámica?

La termodinámica es una rama de la ciencia que investiga conceptos como el calor, el trabajo y la energía a nivel macro. La ley cero de la termodinámica es una de las cuatro leyes fundamentales de esta área de estudio. Describe el equilibrio térmico entre sistemas y su falta de intercambio de energía. El equilibrio térmico entre dos sistemas a veces puede denominarse cuerpos u objetos, lo que indica igualdad de temperatura entre ellos. La consecuencia de esta igualdad es que el calor no puede transferirse entre los sistemas. Esta idea se ve reforzada por la segunda ley de la termodinámica, que afirma que la energía sólo puede transferirse de forma natural de un objeto más caliente a uno más frío. Por tanto, si dos cuerpos tienen la misma temperatura, no intercambian energía.

Existen conceptos importantes en termodinámica que permiten comprender mejor cualquiera de sus leyes, los cuales son:

• Energía: capacidad de un sistema para realizar trabajo.
• Calor: La energía en tránsito que resulta en un intercambio entre sistemas.
• Temperatura: La medida de la cantidad de movimiento (energía cinética) de las partículas que constituyen un cuerpo.
• Cero absoluto: la idea de falta de movimiento de partículas, lo que significa falta de temperatura. El nombre del concepto hace referencia a una temperatura de cero en la escala Kelvin.
• Entropía: El nivel de dispersión de energía en un sistema.

Las siguientes secciones describirán las leyes de la termodinámica, con especial atención a la ley cero, su contexto histórico, ejemplos y su importancia.

¿Qué es la ley cero de la termodinámica?

Considerando tres objetos A, B y C, la ley cero de la termodinámica establece que:

Si A está en equilibrio térmico con B,

y si A está en equilibrio térmico con C,

entonces B está en equilibrio térmico con C.

En términos algebraicos, si {eq}T_a {/eq}, {eq}T_b {/eq} y {eq}T_c {/eq} son las temperaturas de los objetos A, B y C, entonces:

Si {eq}T_a {/eq}= {eq}T_b {/eq}, y si {eq}T_a {/eq}= {eq}T_c {/eq}, entonces {eq}T_b {/eq}= { eq}T_c{/eq}.

La Figura 1 muestra las direcciones del intercambio de calor cuando {eq}T_a {/eq} > {eq}T_b {/eq} > {eq}T_c {/eq} (no hay equilibrio térmico).

La Figura 2 muestra la falta de intercambio de calor cuando {eq}T_a {/eq}= {eq}T_b {/eq} = {eq}T_c {/eq}.

Origen de la Ley Cero

El área de estudio que hoy conocemos como termodinámica se desarrolló a principios del siglo XIX. En aquella época se sabía poco sobre las propiedades de la materia a nivel atómico y molecular. Por lo tanto, los científicos tuvieron que confiar en observaciones a nivel macro. Estos estaban relacionados principalmente con transformaciones de trabajo, presión, temperatura y energía. Inicialmente, estas observaciones llevaron a los científicos a desarrollar la primera, segunda y tercera leyes de la termodinámica. Uno de los impactos de estas leyes fue la afirmación sobre la imposibilidad de desarrollar una máquina ideal, una idea popular que consistía en construir una máquina que, después de recibir una cierta cantidad de energía para arrancar, funcionara indefinidamente sin requerir energía adicional. Las leyes que generaron estas consecuencias fueron:

• La Primera Ley de la Termodinámica: al ser el calor una forma de energía, cualquier proceso termodinámico está sujeto al principio de conservación de la energía.
• La Segunda Ley de la Termodinámica: el calor no transita espontáneamente de un sistema más frío a uno más caliente.
• La tercera ley de la termodinámica: la entropía de un cristal perfecto a una temperatura del cero absoluto se acerca a un valor constante.

Con las tres leyes establecidas, era evidente la necesidad de una ley que formalizara la noción de temperatura. Dado que el concepto de temperatura es fundamental para la comprensión de cualquier ley de la termodinámica, el matemático británico Ralph H. Folwer (1889-1944) denominó la ley que trataba de la temperatura como:

• La ley cero de la termodinámica: si dos cuerpos, en cada uno, están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, entonces los dos cuerpos originales están en equilibrio térmico entre sí.

Ejemplos de la ley cero de la termodinámica

Algunos ejemplos de la vida diaria que ejemplifican la ley cero de la termodinámica son:

• La temperatura ambiente: Supongamos que alguien hace un sándwich de jamón y queso, y después de la preparación se le olvidan los ingredientes y lo guarda fuera del frigorífico. Supongamos que es media tarde y que la temperatura ambiente de la cocina se mantendrá más o menos constante durante varias horas. El jamón y el queso acaban de salir de la nevera, por lo que están más fríos que en la cocina. El calor se transferirá tanto al jamón como al queso. En algún momento, tanto el jamón como el queso alcanzarán el equilibrio térmico con la cocina. Así, el jamón y el queso estarán en equilibrio térmico entre sí.
• El termómetro: Se basan en la idea de que un cambio de temperatura provocará un cambio en la propiedad física de una sustancia, como por ejemplo el volumen de un fluido, o la longitud de un sólido. Un termómetro de mercurio, por ejemplo, recibe calor del cuerpo humano. Este intercambio de energía eleva la temperatura del mercurio en el tubo. Este proceso dilata el mercurio y sólo se detiene cuando éste y el cuerpo humano alcanzan el equilibrio térmico. Finalmente, las marcas en el tubo permiten verificar a qué temperatura corresponde el nivel de mercurio en el tubo.

Importancia de la ley cero de la termodinámica

El termómetro es un dispositivo importante cuyo funcionamiento está relacionado con la Ley Cero de la Termodinámica. La ley se nota fácilmente en la vida diaria a través del proceso que incluye la transferencia de calor. Esto, por ejemplo, permite no quemarse la mano mientras cocina debido a la baja conductividad térmica de materiales como la madera y el caucho. El desarrollo de la ley cero también fue de suma importancia en la ciencia. Como se dijo anteriormente, solidificó el concepto de temperatura y energía en movimiento (calor), reforzando los fundamentos de las otras tres leyes de la termodinámica.

Resumen de la lección

Esta lección se centró en la ley cero de la termodinámica. Es la ley cero ya que se desarrolló después de la primera, segunda y tercera y, al mismo tiempo, fue crucial para comprender las anteriores. La ley cero establece que si dos sistemas están cada uno en equilibrio térmico (igual temperatura) con un tercer sistema, entonces los dos sistemas iniciales están en equilibrio térmico entre sí.

La Primera Ley de la Termodinámica establece que cualquier proceso termodinámico está sujeto al principio de conservación de la energía. La Segunda Ley establece que el calor no se transfiere espontáneamente de un sistema más frío a uno más caliente. Finalmente, la Tercera Ley de la Termodinámica establece que la entropía (nivel de dispersión de energía) de un cristal perfecto se vuelve constante a medida que su temperatura se acerca cada vez más al cero absoluto.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador