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¿Qué es la termodinámica?

Que-es-la-termodinamica-1.jpg iStockphoto/Thinkstock

Junto con la Revolución Industrial y la máquina de vapor la aparición de una nueva rama de la física supuso un impulso fundamental al desarrollo tecnológico y a la comprensión de las leyes que gobiernan los intercambios de energía. Esta nueva rama, que inició su camino estudiando el calor y la obtención de trabajo que podía obtenerse a partir del mismo, es la Termodinámica.

Conozcamos hoy entonces un poco más sobre qué es la termodinámica y cuál es su importancia para la vida diaria.

Calor, trabajo y energía

Los primeros pasos en la termodinámica los dió en 1824 Sadi Carnot, autor del libro Réflexions sur la puissance motive du feu (Reflexiones sobre la potencia motriz del fuegolibro en el que se analizaba la capacidad de las máquinas de convertir calor en trabajo. Desgraciadamente Carnot murió de cólera a los 36 años, lo que provocó que la mayor parte de sus obras se quemaran y el resto de sus reflexiones no llegaron a ejercer una influencia fundamental.

Sin embargo, en 1834, Émile Clapeyron escribió un informe en el que los explicaba. En esta obra se hablaba de la posibilidad de intercambiar calor por trabajo y construir un motor de combustión interna; Clapeyron logró calcular cuánto trabajo puede realizar una cierta cantidad de calor.

En la búsqueda de la relación existente entre calor y trabajo, tan fundamental en la comprensión y mejora de la máquina de vapor, hay que destacar también los trabajos de Julius von Mayer y James Joule. Mayer trabajaba como médico durante una expedición a las Indias Orientales cuando observó, realizando unas sangrías, que el color de la sangre arterial era llamativamente claro. La sangre, una vez que ha llegado a los músculos de nuestro cuerpo y ha dejado el oxígeno, adquiere en latitudes superiores una tonalidad más oscura que la sangre venosa, rica en este elemento. Julius atribuyó este hecho a la mayor temperatura ambiental de los trópicos. Si hacía más calor, el cuerpo necesitaba quemar menos oxígeno para mantener su temperatura, por lo que la sangre se mantenía oscura. Esto le llevó a pensar en que existía una relación entre calor, trabajo y energía, y que eran intercambiables.

Lejos de aceptar las deducciones del médico alemán el resto de los científicos negaron sus evidencias durante mucho tiempo, lo que provocó que se sumiera en una grave depresión que no superó hasta veinte años después, cuando se redescubrió su obra.

La historia de Joule es mucho más amable y la demostración de la relación entre calor y trabajo que realizó aún sigue utilizándose como ejemplo claro. Para mostrar esta relación Joule midió el aumento de temperatura que producían unas hélices introducidas en agua al girar. El giro de estas hélices se producía conectándolas con una pequeña pesa que se dejaba caer. La pérdida de energía de la masa al disminuir su altura, se traducía en un aumento de temperatura del líquido. Indudablemente, trabajo, calor y energía están relacionados.

El estudio de la termodinámica también permitió establecer un criterio claro para entender la temperatura, y permitió la aparición de la escala absoluta de temperaturas o escala Kelvin, creada por Lord Kelvin, asignando un valor de 0ºK a la temperatura a la que no se puede extraer más calor del sistema. Los trabajos de lord Kelvin y Clausius permitieron llegar a los principios clave de la Termodinámica.

Que-es-la-termodinamica-4.jpg Photos.com/Photos.com/Thinkstock

¿Cuáles son las leyes de la Termodinámica?

Primera ley de la Termodinámica: no puedes ganar

No puedes conseguir algo a partir de nada porque la materia y la energía se conservan. Pongamos el ejemplo de la máquina de vapor de nuevo. Si quemo carbón para obtener un trabajo (por ejemplo, el tren se mueve), la energía total producida será como máximo igual al calor aportado. Pero no puedo hacer que el tren se mueva sin quemar tener una fuente de energía, en este caso el calor producido al quemar el carbón. Vamos, que el tren no va a echar a andar por sí mismo. Siendo un poco más estrictos podríamos decir:

En un sistema cerrado en el que no se produzca intercambio de calor (sistema adiabático) que evoluciona de un estado A a otro B, el trabajo realizado no depende del camino elegido ni del tipo de trabajo.

Que-es-la-termodinamica-2.jpg Zoonar/Zoonar

Segunda ley de la Termodinámica: no puedes empatar

No puedes volver al mismo estado de energía porque la entropía siempre aumenta. La entropía es una propiedad de un sistema relacionada con el desorden y que siempre tiende a aumentar (el desorden aumenta). Si sacas la ropa de los cajones, la tiras por la habitación y te vas, no esperes cuando vuelvas que la ropa haya entrado sola en el cajón, siempre estará desordenada. La entropía aumenta amigo. Por cierto, este es el principal argumento que usó para excusar el desorden habitual en mis armarios, de ahí el ejemplo.

Si volvemos a la analogía del tren esta ley explicaría que no se pudiese convertir todo el calor obtenido del carbón en trabajo, habrán pérdidas. Y también nos dice que si intentamos transformar de nuevo el movimiento del tren en calor, también habrán pérdidas. Seré de nuevo ligeramente más estricto:

Los valores que tomarán los parámetros que definen un sistema termodinámico cerrado en un sistema de equilibrio, siempre maximizarán el valor de una magnitud característica denominada entropía y que estará en función de los mismos.

Que-es-la-termodinamica-3.jpg iStockphoto/Thinkstock

Tercera ley de la Termodinámica: no puedes dejar el juego

Porque no se puede alcanzar el cero absoluto y para que el juego terminase deberíamos llegar a ese valor en el que deja de haber entropía. El cero absoluto está relacionado con la ausencia total de energía, es un estado en el que las partículas que componen un sistema dejan incluso de vibrar. Una definición sería:

No se puede alcanzar el cero absoluto por ningún procedimiento que implique un número finito de pasos

A pesar del conocimiento de las implicaciones de estas leyes, las personas con nuestro comportamiento tozudo habitual hemos tratado de crear en varias ocasiones máquinas de movimiento perpetuo que las violen, aunque con escaso éxito. ¿Conoces alguna más de las interesantes implicaciones de estas leyes?

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