Leyes de la termodinamica

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Leyes de la termodinámica
Las leyes de la termodinámica son un conjunto de leyes sobre las que se basa la termodinámica. En concreto, se trata de cuatro leyes que son universalmente válidas cuando se aplican a sistemas que caen dentro de las restricciones implícitas en cada uno.
Con el tiempo, estos principios se han convertido en "leyes". Actualmente se enuncian un total de cuatro leyes. En los últimos 80 años, algunos autores han sugerido otras leyes, pero ninguna de ellas fue aceptada por unanimidad.
Curiosamente, la ley cero se formuló después de haber enunciado las otras tres leyes de la termodinámica y es una consecuencia de todas ellas. Por esta razón, tiene la posición 0.
En las diversas descripciones teóricas de la termodinámica, estas leyes pueden expresarse en formas aparentemente diferentes, pero las formulaciones más destacadas son las siguientes:
Ley cero de la termodinámica
A este principio se llama del equilibrio termodinámico. Si dos sistemas A y B están en equilibrio termodinámico, y B está en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C están a su vez en equilibrio termodinámico.
Este principio es fundamental. El principio 0 no fue formulado formalmente hasta después de haber enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición 0.
¿Qué significa que un proceso está en equilibrio termodinámico?
El equilibrio termodinámico de un sistema termodinámico se define como la condición del mismo en el que las variables empíricas utilizadas para definir un estado del sistema han llegado a un punto de equilibrio. Al estar en equilibrio, no varían a lo largo del tiempo.
A estas variables empíricas (experimentales) de un sistema se les conoce como coordenadas termodinámicas del sistema. Entre otras variables empíricas tenemos: presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, etc.
EJEMPLO
En la imagen anterior se observa que hay dos sistemas termodinámicos con distinta temperatura inicial. Suponiendo que alrededor de ellos no hay ningún otro sistema, entonces entre ambos habrá un flujo de calor Q, una energía en tránsito, produciendo después de un tiempo que la temperatura en ambos sea igual. Este punto se denomina equilibrio térmico
La temperatura desde un punto de vista microscópico es una medida de la energía cinética promedio de las partículas del sistema. Esta energía cinética considera la energía cinética de rotación, vibración y traslación de las moléculas. Para mayor profundización véase teoría cinética de los gases
EJEMPLOS
Primera ley de la termodinámica
“La energía total de un sistema aislado ni se crea ni se destruye, permanece constante”.
Se puede pasar de una forma de energía a otra pero la energía ni se crea ni desaparece. Por ejemplo, en un motor térmico se puede convertir la energía térmica de la combustión en energía mecánica.
La primera ley de la termodinámica también se conoce como ley de la conservación de la energía. Esta ley termodinámica establece que, si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.
Visto de otro modo, esta ley permite definir el calor como la cantidad de energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Antoine Lavoisier.
Para todo sistema termodinámico existe una función característica denominada energía interna. La variación de esa energía interna (ΔU) entre dos estados cualquiera puede ser determinada por la diferencia entre la cantidad de calor (Q) y el trabajo (T) intercambiados con el medio externo.
La primera ley de la termodinámica la definiremos en conceptos matemáticos para hacerla más entendible.
Dónde;
 = Calor suministrado al sistema [Cal, Joules]
 = Incremento en la energía del sistema [ Cal, Joules]
= Trabajo realizado por el sistema [Cal, Joules]
El signo de  es positivo cuando al sistema se le suministra calor y es negativo si el sistema cede calor.
El signo de  es positivo cuando el sistema realiza trabajo y negativo cuando el trabajo se realiza sobre él.
Si el sistema incrementa su temperatura el signo  es positivo, y si disminuye su temperatura es negativo.
EJEMPLO
Problema 1.- ¿Cuál es el incremento en la energía interna de un sistema si se le suministran 700 calorías de calor y se le aplica un trabajo de 900 Joules?
Solución:
El problema indica que se le están suministrando 700 calorías de calor, eso quiere decir que  será positivo, por otra parte nos dice que al sistema se le aplicará un trabajo de 900 Joules, aquí el signo de  tendrá que ser negativo, puesto que se la están aplicando al sistema.
Sabiendo ese análisis podemos dar solución al problema de la siguiente forma:
Vamos a convertir las 700 calorías de calor en Joules. ¿Por qué? Porque el S.I (Sistema Internacional) de medida así lo estandariza.
Recordar que  porque como dijimos, al sistema se le está aplicando un trabajo. Ahora conforme a la fórmula de la primera ley de la termodinámica, iniciemos a sustituir.
despejando ” “
Sustituyendo
Ese sería el resultado de nuestro incremento en la energía interna.
Segunda ley de la termodinámica
La segunda ley de la termodinámica regula la dirección en que se han de llevar a cabo los procesos termodinámicos y, por tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario. Por ejemplo, la transferencia de calor se puede producir de un cuerpo caliente a otro frío, pero no a la inversa.
También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas. Por ejemplo, en un motor ideal, la cantidad de calor suministrada se convierte en trabajo mecánico. Sin embargo, en un motor real, parte del calor suministrado se pierde.
Esta ley permite definir la entropía. La variación de la cantidad de entropía de un sistema termodinámico aislado siempre debe ser mayor o igual a cero y sólo es igual a cero si el proceso es reversible.
La primera y segunda leyes de la termodinámica surgieron simultáneamente en la década de 1850. Principalmente fue el resultado de las obras de William Rankine, Rudolf Clausius y William Thomson (Lord Kelvin).
La segunda ley de la termodinámica nos dice que:
 Cuando ocurre un proceso termodinámico, este ocurre en una sola dirección con respecto al tiempo, pero no viceversa.
Es decir, que por ejemplo; si aventamos un vaso de cristal al suelo, este objeto “se romperá” y se dispersará en fragmentos sobre todo el piso, entonces aquí viene la pregunta. ¿Es posible qué de forma natural los fragmentos se reconstruyan nuevamente a la forma original que tenía antes el vaso?, es lógico que la respuesta sea NO, ya que se trata de un fenómeno irreversible, entonces aquí es donde viene el concepto y estudio de la segunda ley
Carnot demostró que se podía predecir la eficiencia máxima teórica de un motor de vapor mediante la medición de la diferencia de temperaturas del vapor en el interior del cilindro y la del aire que lo rodea, conocida en términos termodinámicos como los depósitos de agua caliente y fría de un sistema, respectivamente.
EJEMPLO
Problema 1.- Cuál es la eficiencia de una máquina térmica a la cual se le suministrarán 8 000 calorías para obtener 25 200 Joules de calor de salida?
Solución: 
Sin duda el problema es muy fácil de resolver, pero antes de poder realizar el cálculo en la fórmula, tenemos que convertir las calorías en Joules, y nos referimos a las calorías que se suministran:
Ahora si podemos sustituir nuestros datos en la fórmula:
Sustituyendo nuestros datos:
El valor de 0.25 lo multiplicamos por 100, para obtener el porcentaje de la eficiencia térmica:
Lo que sería equivalente a un 25% de eficiencia térmica
Tercera ley de la termodinámica
La tercera de las leyes de la termodinámica afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. El cero absoluto equivale a 0 kelvin, es decir, a -273 grados Celsius.Esta ley fue propuesta por Walther Nernst.
Cuando la temperatura tiende a cero absoluto, la entropía de cualquier sistema tiende a cero
El tercer principio de la termodinámica puede formular también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico.
Sistema termodinámico
Generalmente se refiere a un gas, a un líquido o a un sólido. Lo que no sea parte del sistema se denomina entorno. El sistema termodinámico más común es el gas ideal, que consta de N partículas (átomos) que sólo interactúan mediante colisiones elásticas.
Sistemas aislados, cerrados o abiertos
A los sistemas aislados no se les permite intercambio alguno con el entorno. Los sistemas cerrados no intercambian materia con el entorno pero sí calor. Por último, los sistemas abiertos pueden intercambiar tanto materia como calor con el entorno.
Macroestados y microestados
El macroestado de un sistema es el conjunto de valores que tienen sus variables: presión, temperatura, volumen, número de moles, entropía y energía interna. En cambio, el microestado -en caso de un gas ideal-, viene dado por la posición y el momentum de cada una de las N partículas que lo conforman, en un determinado instante. 
Se necesita de este concepto para formular la tercera ley de la termodinámica en forma matemática. Sea S la entropía del sistema, entonces:
La entropía es una variable de estado macroscópica que se relaciona directamente con el número de microestados posibles de un sistema, mediante la siguiente fórmula:
S = k ln(W)
En la ecuación anterior: S representa la entropía, W el número de microestados posibles del sistema y k es la constante de Boltzmann (k =1.38 x 10-23 J/K). Es decir, la entropía de un sistema es k veces el logaritmo natural del número de microestados posibles.
Cálculo de la entropía absoluta de una sustancia
Es posible definir la entropía absoluta de una sustancia pura partiendo de la definición de la variación de la entropía:
δQ = n . cp .dT
Aquí cp es el calor específico molar y n el número de moles. La dependencia del calor específico molar con la temperatura es un dato obtenido experimentalmente y conocido para muchas sustancias puras.
De acuerdo a la tercera ley en las sustancias puras: 
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