La Termodinámica y sus principios

La termodinámica es la ciencia de la energía; la palabra termodinámica viene de las palabras griegas therme que significa calor y dymanis que significa fuerza. Para el caso podemos considerar que la energía es la capacidad de realizar cambios. El estudio de la termodinámica se desarrolla a nivel macroscópico dónde no se necesita establecer la naturaleza de la materia y el sistema puede ser descrito con un número reducido de variables extensivas como la entropía, la composición, el volumen, etc.; o variables no extensivas como la temperatura, presión, etc. El estudio a nivel microscópico se realiza a través de la termodinámica estadística; para ello, se requiere información molecular y la inclusión de una gran cantidad de partículas y magnitudes.

Un sistema termodinámico es una región del espacio definida. El estado del sistema estará caracterizado por variables como la temperatura, presión, volumen, composición, etc. El entorno es la parte exterior al sistema y el universo comprende tanto al sistema como al entorno. Los sistemas termodinámicos se clasifican según el grado de aislamiento con su entorno en: abiertos, mantienen un flujo de energía y materia con su entorno; cerrados, no intercambian materia con su entorno; y aislados, no intercambian ni energía ni materia con su entorno. El sistema es homogéneo si sus propiedades intensivas se mantienen constantes en todas las direcciones y es heterogéneo si está constituido por porciones homogéneas separadas por interfases. Un sistema pasa por un proceso o transformación termodinámica, si alguna de las variables macroscópicas (temperatura, volumen, etc.)  que establece su estado de equilibrio experimenta una modificación. Los procesos pueden ser espontáneos o irreversibles, artificiales y reversibles. La termodinámica se sustenta en sus leyes o principios que definen la forma en que la energía puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor o trabajo.

La ley cero de la termodinámica o de calor establece que, si un cuerpo A se encuentra en equilibrio térmico con un cuerpo B, y este se encuentran en equilibrio térmico con un cuerpo C, A y C también están en equilibrio; es decir, los tres cuerpos, A, B y C, se encuentran en equilibrio térmico entre sí. Por tanto, el equilibrio térmico es transitivo.

La primera ley de la termodinámica o principio de conservación de la energía establece que la energía no se puede crear ni destruir durante un proceso, pero si puede ser transformada. La energía en un sistema aislado es constante, pero puede darse un intercambio de energía, asociado al calor y al trabajo, desde o hacia el entorno.

La segunda ley de la termodinámica nos dice que es imposible que en un proceso cíclico el único resultado sea la absorción de calor de un reservorio y su total conversión en trabajo entregado al exterior del sistema. Es decir, es imposible transformar todo el calor en trabajo. Los cambios espontáneos siempre resultan en un aumento de la entropía del universo y en la disipación de la energía que se acumula en forma desordenada como energía térmica o de movimiento molecular. En otras palabras, este principio explica la irreversibilidad de los fenómenos físicos, especialmente durante el intercambio de calor e indica que la cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse.

Finalmente, la tercera ley o principio de la imposibilidad de alcanzar un cero absoluto de temperatura hace referencia a los sistemas que están en equilibrio interno cuando su temperatura es cercana al cero absoluto, -273,15° C o 0 K. Este principio afirma que, para cualquier sustancia pura, cristalina y perfecta, la entropía debe ser nula en el cero absoluto. De esta ley se deduce que no se puede alcanzar el cero absoluto en ningún proceso final asociado al cambio de entropía.