¿Qué es la termodinámica? Una definicion
La termodinámica es un concepto científico relativo a la física que busca comprender cómo se relacionan entre sí el calor, la temperatura y la energía. La termodinámica se concentra en gran medida en cómo se transfiere la energía, en forma de calor, de una entidad a otra. Los conceptos cubiertos por la termodinámica incluyen:
- Calor: el calor es una forma de energía que puede transferirse de una entidad de mayor temperatura a otra.
- Transferencia de calor: la transferencia de calor es la transferencia de energía térmica de un objeto más cálido a un objeto más frío.
- Temperatura: la temperatura es la forma en que se mide el calor en grados y se puede expresar en Fahrenheit, Celsius o Kelvin.
- Trabajo – En física, el trabajo se refiere a la cantidad de energía que se transfiere cuando una entidad se mueve debido a los esfuerzos de una fuerza aplicada.
- Calor específico: el calor específico de una entidad es la capacidad calorífica de dicha entidad dividida por la masa de la misma entidad.
- Conductividad: la conductividad se refiere a la facilidad con la que el agua es capaz de pasar a través de una corriente eléctrica.
- Entropía – La entropía se refiere al desorden de los objetos en el universo, y la tendencia que dichos objetos tienen de volverse más desordenados con el tiempo.
Ramas de la termodinámica
Hay cuatro ramas de la termodinámica, como se ve a continuación:
- Termodinámica clásica: la termodinámica clásica considera las variables de presión y temperatura y ayuda a proporcionar cálculos para ayudar a producir resultados para la materia que se somete a procesos termodinámicos.
- Termodinámica estadística: la termodinámica estadística considera todas las moléculas que están experimentando procesos termodinámicos. Esta rama de la termodinámica busca identificar las acciones de cada molécula individual.
- Termodinámica química: la termodinámica química se utiliza con reacciones químicas, ya que algunas reacciones químicas dan como resultado la absorción o liberación de calor, y también se pueden observar cambios de fase con ciertas especies químicas.
- Termodinámica de equilibrio: la termodinámica de equilibrio analiza cómo cambian la energía y los tipos de materia a medida que avanzan hacia el equilibrio.
La historia de la termodinámica
El primero en contribuir al estudio de la termodinámica fue Sir Benjamin Thompson, conocido como el Conde Rumford, como creen muchos historiadores. El conde Rumford era un físico que postulaba que el movimiento y la fricción resultante del movimiento de un objeto contribuían a la producción de calor. Rumford realizó su experimento de termodinámica en el que perforó un cañón y observó que se producía calor durante este proceso.
Otro conocido contribuyente a la termodinámica fue Nicolas Léonard Sadi Carnot, conocido como Sadi Carnot, un ingeniero mecánico del ejército de Francia. Las contribuciones de Carnot a la termodinámica se produjeron mientras estudiaba las máquinas de vapor y sus depósitos, y cómo el calor de un depósito más cálido se transfería a uno más frío. El trabajo de Carnot dio paso a lo que hoy se conoce como ciclo de Carnot, que es un ciclo reversible compuesto por cuatro etapas: expansión isotérmica, expansión isentrópica, compresión isotérmica y compresión adiabática. Durante el siglo XIX, los científicos se centraron en la máquina de vapor y en las formas de mejorar su rendimiento, lo que ayudó a allanar el camino para el conocimiento moderno de la termodinámica. La ley de enfriamiento de Newton también es una contribución notable a la termodinámica, ya que postula que la proporción de calor perdido por una entidad tiene proporcionalidad directa con la diferencia de temperatura entre dicho objeto y su entorno ambiental.
A Rudolf Clausius, un físico alemán, se le atribuye el desarrollo de las dos primeras leyes de la termodinámica. Clausius se convirtió en profesor de la Escuela de Artillería e Ingeniería de la ciudad de Berlín en 1850, el mismo año en que se publicó su primer artículo. Este artículo se escribió sobre la teoría mecánica del calor y afirmó que el calor no puede viajar de una región más fría a una más cálida.
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Las leyes de la termodinámica
Hay cuatro leyes principales de la termodinámica. Cada ley establece un principio científico diferente relacionado con este concepto. Las cuatro leyes de la termodinámica buscan explicar las relaciones entre calor, energía, entropía y equilibrio.
La ley cero de la termodinámica
La ley cero de la termodinámica postula que si un sistema está en equilibrio térmico con uno de dos sistemas, entonces los otros dos sistemas estarán en equilibrio térmico entre sí. Esta ley se puede observar cuando se utiliza un termómetro. El termómetro se considera su propio sistema independiente, y si el termómetro está presente con otros dos sistemas, y el primer sistema está en equilibrio térmico con el termómetro, así como el segundo sistema, se puede afirmar que el primer y segundo sistema están en equilibrio térmico entre sí.
La primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica a menudo también se conoce como ley de conservación de la energía, que postula que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transfiere de una entidad a otra. La primera ley de la termodinámica establece que si el calor debe considerarse una forma de energía, entonces la energía térmica de una entidad y su entorno externo obedece a la ley de conservación de la energía. Según la primera ley de la termodinámica, la cantidad total de energía en el universo conocido sigue siendo la misma. Sin embargo, la energía se puede convertir de una forma a otra. Un ejemplo de esto es la conversión de energía eléctrica en energía térmica cuando se utiliza una manta eléctrica para calentarse.
La segunda ley de la termodinámica
La segunda ley de la termodinámica se ocupa de la entropía o desorden que ocurre naturalmente en el universo. La segunda ley de la termodinámica postula que los procesos naturales se vuelven más desordenados con el tiempo, lo que significa que la entropía aumenta con el tiempo. La entropía también puede estabilizarse pero no disminuir. Según la segunda ley, nunca se observará que la entropía del sistema que es el universo tenga un valor negativo asociado. Un ejemplo que se relaciona con la segunda ley de la termodinámica en la vida real es el de una taza de té caliente, que se enfría con el paso del tiempo. El té no volverá a calentarse espontáneamente.
La tercera ley de la termodinámica
La tercera ley de la termodinámica propone que una muestra cristalina perfecta de un material determinado que se encuentre a una temperatura del cero absoluto tendrá una entropía de cero. Esta ley a menudo se denomina en la literatura científica el principio de inalcanzabilidad. Se puede aplicar un ejemplo de la tercera ley de la termodinámica cuando se observa el vapor que surge de una olla con agua hirviendo. Las moléculas de agua en el vapor se mueven aleatoriamente. El agua, a la temperatura del cero absoluto, se encontraría como una estructura cristalina perfecta (hielo) y tendría un valor de entropía de cero.
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Aplicaciones de la termodinámica
Hay varios ejemplos que muestran cómo se utiliza la termodinámica en aplicaciones del mundo real. Un ejemplo es la ingeniería mecánica, donde se aplican las leyes de la termodinámica para crear dispositivos como hornos y aires acondicionados. Los hornos funcionan transformando la energía química o eléctrica en energía térmica, que calienta el interior de un edificio. Los acondicionadores de aire funcionan mediante el uso de un refrigerante o refrigerante que absorbe el calor, lo que, a su vez, hace que el interior de una estructura se enfríe.
La termodinámica también se puede observar en su aplicación a sistemas biológicos. Un ejemplo que se puede utilizar para mostrar la termodinámica en la naturaleza es el proceso de fotosíntesis. Las plantas utilizan la energía luminosa, procedente del sol o de una fuente artificial, y agua, que transforman en energía química.
Resumen de la lección
La termodinámica es una conceptualización científica que busca explicar el calor como una forma de energía. Algunos conceptos relacionados con la termodinámica incluyen calor, transferencia de calor, entropía (desorden), temperatura y conductividad. Entre los contribuyentes notables a la termodinámica se incluyen el Conde Rumford, Sadi Carnot, Isaac Newton y Rudolf Clausius.
Hay cuatro leyes que se aplican al estudio de la termodinámica. La ley cero de la termodinámica postula que si hay tres sistemas y el primero está en equilibrio con el segundo, y el segundo y el tercer sistemas están en equilibrio entre sí, entonces el primer y el tercer sistema también están en equilibrio. La primera ley de la termodinámica también se conoce como ley de conservación de la energía, ya que establece que la energía no se puede crear ni destruir, sólo transferirse. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema aumentará (o permanecerá igual) pero nunca disminuirá. La tercera ley de la termodinámica postula que una muestra de especie química tendrá una forma cristalina y una entropía de cero a una temperatura de cero absoluto.
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