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Leyes de la termodinamica
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Leyes de la termodinamica

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  • 1. LE EYES DE LA TERMOD A DINAMICAPrincipio cero de la termod d dinámicaEste principio o ley cero, establece que existe una dete e e erminada ppropiedad ddenominada temperatura aempírica θ, que es común para todos lo estados de equilibrio termodinám p os d mico que se encuentren en equilibrio omutu con uno dado. uo dEn p palabras llan nas: «Si pon en conta nes acto un objet frío con o to otro caliente, ambos evo olucionan ha asta que sus stemp peraturas se igualan». eTiene una gran importancia experiment «pues pe a tal ermite consttruir instrumentos que m midan la tem mperatura de eun sistema» per no resulta tan importa ro ante en el ma arco teórico de la termoddinámica.El eq quilibrio term modinámico de un siste ema se defin como la condición d mismo e el cual l ne del en las variables sempíricas usada para def as finir o dar a conocer un estado de sistema (presión, vol n el lumen, campo eléctrico o,polarización, magnetización tensión lineal, tensión superfic n, cial, coordeenadas en el plano x, y) no son , ndepeendientes de tiempo. El tiempo es un parámetro cinético, asociado a nivel micros el scópico; el c cual a su vezzesta dentro de la físico quím mica y no es parámetro debido a q s o que a la term modinámica solo le inter resa trabajarcon un tiempo in nicial y otro final. A dich variables empíricas (experimen has s ntales) de un sistema se las conoce n e ecomo coordenad térmicas y dinámica del sistem das s as ma.Este principio fu e undamental, aún siendo ampliamente aceptado no fue form o, mulado form malmente ha asta después sde haberse enun nciado las ot tras tres leye De ahí que recibiese el nombre de principio cero. es. q e oPrim mera ley de la termodin námicaTammbién conocida como pri incipio de co onservación de la energ para la te gía ermodinámica , estable que si se ece erealiz trabajo sobre un sistema o bien éste in za s b ntercambia c calor con o otro, la ener rgía interna del sistema acambiará.En p palabras llanas: "La ener rgía ni se cre ni se des ea struye: Solo s transform se ma".Visto de otra fo o orma, esta ley permite definir el caalor como la energía n a necesaria qu debe inte ue ercambiar el esiste ema para co ompensar la diferencia entre trab as as bajo y energ interna. Fue propue gía esta porNicoolas LéonarddSadi Carnot en 1824, en su obra Refl i s lexiones sobre la pote encia motriz del fuego y sobre la máquinas z as sadeccuadas para desarrollar esta potenc en la qu expuso lo dos prime a cia, ue os eros principios de la termodinámicaa.Esta obra fue incomprend a dida por lo científico de su é os os época, y mmás tarde f fue utilizada por Rudol a lfClauusius y Lord Kelvin para formular, de una maner matemátic las base de la term e ra ca, es modinámica.La ecuación gen neral de la co onservación de la energ es la sigu n gía uiente:Que aplicada a la termodiná l ámica tenien en cuent el criterio de signos te ndo ta ermodinámic queda de la forma: co, eDond U es la energía inter del siste de e rna ema (aislado Q es la c o), cantidad de calor aporta al sistem y W es el ado ma etraba realizado por el siste ajo o ema.Esta última exp a presión es igual de fre i ecuente enc contrarla en la forma ∆ = Q + W Ambas e ∆U W. expresiones s,apar rentemente contradictorrias, son cor rrectas y su diferencia está en que se aplique el convenio de signos u e e sIUPA o el Trad AC dicional (véase criterio de signos termodinámico o).
  • 2. Segunda ley de la termodinámicaEsta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, laimposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en elagua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, laimposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, lasegunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse acabo teniendo en cuenta sólo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia deuna magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materiani energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde loscuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aportede calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. Ladiferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el deKelvin.Enunciado de ClausiusEn palabras de Sears es: «No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de unrecipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente atemperatura más elevada».Enunciado de KelvinNo existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente (E.absorbida), y loconvierta íntegramente en trabajo (E.útil).Enunciado de Kelvin—PlanckEs imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que laabsorción de energía desde un depósito, y la realización de una cantidad igual de trabajo.Otra interpretaciónEs imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energíatermodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir, que el rendimiento energético de una máquinatérmica cíclica que convierte calor en trabajo, siempre será menor a la unidad, y ésta estará más próxima a launidad, cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimientoenergético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.Tercera ley de la termodinámicaLa tercera de las leyes de la termodinámica, propuesta por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzaruna temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularsetambién como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valorconstante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturasiguales al cero absoluto. No es una noción exigida por la termodinámica clásica, así que es probablementeinapropiado tratarlo de «ley».Es importante remarcar que los principios o leyes de la termodinámica son válidas siempre para los sistemasmacroscópicos, pero inaplicables a nivel microscópico. La idea del demonio de Maxwell ayuda a comprenderlos límites de la segunda ley de la termodinámica jugando con las propiedades microscópicas de las partículasque componen un gas.
  • 3. Siste ema termod dinámico.Se p puede definir un sistema como un co r a onjunto de materia, que está limitad por una s m e do superficie, qu le pone el ue eobseervador, real o imaginar Si en el sistema no entra ni sa materia, se dice que se trata de un sistema ria. o ale e e acerra ado, o siste ema aislado si no hay intercambio de mater y energ o o ria gía, depend diendo del c caso. En la anaturaleza, encoontrar un sistema estric ctamente ai islado es, p lo que s por sabemos, im mposible, pe podemos ero shace aproximac er ciones. Un sistema del que sale y/o entra mate ria, recibe e nombre de abierto. Po s q el e onemos unossejem mplos:  Un sistema abier es cuand existe un intercambio de masa y de energía con los alre rto: do n o a ededores; es s por ejemplo, un coche. Le ec e c chamos com mbustible y é desprende diferentes gases y calo él e or.  Un sistema cerra ado: es cuando no exis un interc ambio de m ste masa con el medio circu undante, sólo o se pu uede dar un intercambio de energía un reloj d cuerda, n introducim ni sacamos materia n o a; de no mos a de él. Solo precis un aporte de energía que emplea para medir el tiempo. sa e a a r  Un sistema ais s slado: es cuando no existe el iintercambio ni de ma c asa y energ gía con los s alred dedores; ¿Có ómo encontr rarlo si no podemos inte p eractuar con él? Sin em n mbargo un te ermo lleno de e comida caliente es una apr roximación, ya que el e envase no p permite el in ntercambio d materia e de intenta impedir que la energ (calor) salga de él. El universo es un sist q gía s o tema aislado, ya que la a varia ación de energía es cero oMed externo dioSe llama medio externo o ammbiente a to aquello que no está en el sistem pero que puede influ en él. Po odo á ma e uir orejem mplo, consideremos una taza con agua, que está siendo calentada p un mec a a e por chero. Consideremos un nsiste ema formado por la taza y el agua, entonces el medio está f o e m formado por el mechero el aire, etc r o, c.Equilibrio térmicoToda sustancia por encima de los 0 kelvin (-27 a a 73,15 °C) emmite calor. Si dos sustancias en contacto se eencuuentran a diiferente tem mperatura, una de ellas emitirá má s calor y ca alentará a la más fría. El equilibrio a otérm mico se alcan cuando ambas emite y reciben la misma c nza a en, n cantidad de calor, lo que iguala su te e emperatura. N Nota: estrictamente serí la misma cantidad de calor por g ía e gramo, ya qu una mayo cantidad de sustancia ue or a e emite más calor a la mis sma tempera atura.