Leis da Termodinâmica

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Gabriela arelí beltethón Ramírez
Fátima dulce maría García Hernández
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.
 
LEYES DE LA TERMODINÁMICA
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:
 
1. 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.
 
1. LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
¿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.
1. LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
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.
1. LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
EJEMPLO: 
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.
1. LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
EJEMPLOS: 
2. 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 calorcon otro, la energía interna del sistema cambiará.
 
2. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
 
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.
2. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
 
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.
 
2. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
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.
2. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
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.
2. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
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.
3. 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. 
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.
3. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
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.
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.
3. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
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:
3. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
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.
4. 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 celcius. 
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.
4. TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
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 intercambiartanto materia como calor con el entorno.
4. TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
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. 
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:
De acuerdo a la tercera ley en las sustancias puras: 
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