Termodinámica: qué es, sistemas y principios
¿Alguna vez te has preguntado cómo funcionan los motores, por qué un cubo de hielo se derrite o qué hace que el clima cambie? Todo esto está relacionado con la termodinámica, una rama de la física que nos ayuda a entender cómo la energía se transforma y se transfiere. En esta entrada te contamos qué es, sus principios y cómo influye en nuestra vida diaria.
¿Qué es la termodinámica?
La termodinámica es el área de la física que estudia las relaciones entre el calor, el trabajo y la energía.
Este campo de estudio se centra en cómo la energía cambia de una forma a otra y cómo afecta a la materia que la contiene. Por ejemplo, cuando hervimos agua, el calor que le damos cambia su estado de líquido a vapor, un fenómeno que puede analizarse mediante las leyes termodinámicas.
En términos más técnicos, la termodinámica también se preocupa por entender conceptos como la energía interna, la entropía y la temperatura, que son fundamentales para describir los procesos físicos y químicos.
¿Qué es un sistema termodinámico?
Un sistema termodinámico es cualquier porción del universo que queremos estudiar en términos de energía y materia. Éste puede ser tan simple como un vaso con agua o tan complejo como una estrella.
Tipos de sistemas termodinámicos
Sistemas abiertos
Son aquellos que intercambian tanto energía como materia con el entorno.Un ejemplo sería una olla con agua hirviendo sin tapa. El calor del fuego (energía) entra en el sistema, mientras que el vapor (materia) escapa al aire. Los sistemas abiertos son comunes en la naturaleza, como un río que recibe agua de afluentes y cede energía al medio ambiente.
Sistemas cerrados
En este caso, solo hay intercambio de energía, pero no de materia. Un ejemplo sería una botella térmica bien cerrada: puede conservar la sopa caliente porque intercambia calor con el entorno (poco a poco), pero no permite que el contenido líquido salga o entre. Este tipo de sistema se usa para modelar procesos en los que se mantiene la cantidad de materia constante, como en un motor durante su ciclo de funcionamiento.Sistemas aislados
Fronteras de los sistemas termodinámicos
Los sistemas termodinámicos están delimitados por fronteras, que pueden ser reales, como las paredes de un recipiente, o imaginarias, cuando delimitamos una región del espacio para su análisis.
Estas fronteras también determinan cómo interactúa el sistema con su entorno:
Fronteras adiabáticas: no permiten el intercambio de calor.
Fronteras diatérmicas: permiten el flujo de calor entre el sistema y el exterior.
Propiedades para describir un sistema
Para comprender y describir un sistema termodinámico, medimos propiedades macroscópicas que definen su estado en un momento dado:
Presión: la fuerza ejercida por las partículas del sistema sobre las paredes del recipiente o las fronteras.
Volumen: el espacio ocupado por el sistema.
Temperatura: un indicador de la energía cinética promedio de las partículas dentro del sistema.
Energía interna: la suma de todas las energías (cinética y potencial) de las partículas del sistema.
Por ejemplo, si consideramos una olla a presión, podemos analizar cómo el aumento de la temperatura afecta la presión interna o cómo los límites del recipiente determinan el intercambio de energía con el entorno.
Leyes de la termodinámica
Las leyes de la termodinámica son los pilares que explican cómo se comporta la energía en cualquier proceso. Estas leyes son universales y se aplican a sistemas grandes y pequeños:
Primera ley (conservación de la energía)
La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Por ejemplo, en un motor, la energía química del combustible se convierte en energía mecánica para mover el vehículo.
Segunda ley
Habla de la entropía, que mide el desorden en un sistema. Siempre que ocurre un proceso, el desorden del universo tiende a aumentar. Por ejemplo, cuando el hielo se derrite, la energía térmica del ambiente se dispersa, aumentando el desorden.
Tercera ley
Establece que al acercarnos al cero absoluto (-273,15°C), la entropía de un sistema se aproxima a un valor constante. Esto explica por qué es imposible alcanzar el cero absoluto.
Principio cero de la termodinámica
El principio cero define qué entendemos por temperatura. Este principio establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces están en equilibrio térmico entre sí.
En términos simples, esto significa que si A tiene la misma temperatura que B, y B tiene la misma temperatura que C, entonces A y C también tienen la misma temperatura. Este principio nos permite usar termómetros para medir la temperatura de otros objetos o construir escalas térmicas como la Celsius y la Kelvin.