Leyes de la termodinámica

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.

Expresado en una fórmula: ΔU = Q – W

Ejemplo de esta ley, imaginemos el motor de un avión. Se trata de un sistema termodinámico que consta de combustible que al reaccionar químicamente durante el proceso de combustión, libera calor y efectúa un trabajo (que hace que el avión se mueva). Entonces: si pudiéramos medir la cantidad de trabajo realizado y de calor liberado, podríamos calcular la
energía total del sistema y concluir que la energía en el motor se mantuvo constante durante el vuelo: ni se creó ni se destruyó energía, sino que se la hizo cambiar de energía química a energía calórica y energía cinética (movimiento, o sea, trabajo).

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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 formulación de esta ley establece que el cambio en la entropía (dS) será siempre igual o mayor a la transferencia de calor (dQ), dividido por la temperatura (T) del sistema. O sea, que:

dS ≥ dQ / T

Ejemplo, basta con quemar una cantidad determinada de materia y luego juntar las cenizas resultantes. Al pesarlas, comprobaremos que es menos materia que la que había en su estado inicial: parte de la materia se convirtió en calor en forma de gases que no pueden realizar un trabajo sobre el sistema y que contribuyen a su desorden.

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.

Para tener en cuenta:

Resulta difícil alcanzar cotidianamente el llamado cero absoluto (-273,15 °C), pero podemos pensar esta ley analizando lo que ocurre en un congelador: los alimentos que depositemos allí se enfriarán tanto, que se ralentizarán o incluso detendrán los procesos bioquímicos en su interior. Por eso se retarda su descomposición y será apto su consumo durante mucho más
tiempo.

Ley “cero” de la termodinámica

Equilibrio térmico

La «ley cero» se expresa lógicamente así: si A = C y B = C, entonces A= B.

La “ley cero” se conoce con ese nombre aunque fue la última en postularse. También conocida como Ley del Equilibrio Térmico, este principio dicta que: “Si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, deben estar también en equilibrio térmico entre sí”. Puede expresarse lógicamente del siguiente modo: si A = C y B = C, entonces A = B.

Qué es la ley cero de la termodinámica? - Termodinámica

Esta ley nos permite comparar la energía térmica de tres cuerpos distintos A, B, y C. Si el cuerpo A se encuentra en equilibrio térmico con el cuerpo C (tienen la misma temperatura) y B también tiene la misma temperatura que C, entonces A y B poseen igual temperatura.

Otra forma de enunciar este principio es argumentar que al poner en contacto dos cuerpos con distintas temperaturas, intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan.

Ejemplo: Cuando nos metemos en agua fría o caliente, notaremos la diferencia de temperatura solo durante los primeros minutos ya que nuestro cuerpo luego entrará en equilibrio térmico con el agua y no notaremos más la diferencia. Lo mismo ocurre cuando entramos a una habitación calurosa o fría: notaremos la temperatura al principio, pero luego dejaremos de percibir la diferencia pues entraremos en equilibrio térmico con ella.

LEY DE BOYLE Y MARIOTTE

El físico y químico anglo-irlandés Robert Boyle (1662) y el físico y botánico francés Edme Mariotte (1676) formularon, de forma independiente, una de las leyes de los gases, la ley de Boyle-Mariotte que relaciona el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante.

En un recipiente cerrado, a temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es inversamente proporcional a la presión que se le aplica.

En términos matemáticos P · V = k. Siendo k constante si la temperatura y la masa se mantienen constantes.

Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas.

Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes. Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo, es decir, aumenta la presión.

No es necesario conocer el valor exacto de la constante k para poder utilizar dicha ley.

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una presión P1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá que:

P1 · V1 = P2 · V2

La ley de Boyle y Mariotte establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante.

Para poder verificar su teoría, Boyle introdujo un gas en un cilindro con un émbolo y comprobó las distintas presiones al bajar el émbolo.

LEY DE GAY-LUSSAC
Fue enunciada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800. Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante.

➢ Si la temperatura aumenta la presión aumenta
➢ Si la temperatura disminuye la presión disminuye

la ley de Gay-Lussac puede expresarse matemáticamente de la siguiente manera:

P1 / T1 = K

V = volumen
T = temperatura
K = Constante

Fórmula de la ley de Gay-Lussac

Cuando se desean estudiar dos diferentes estados, uno inicial y una final de un gas y evaluar el cambio de presión en función de la temperatura o viceversa (con volumen constante), se puede utilizar la fórmula:

P1 / T1 = P2 / T2

LEY DE DALTON
En 1810 Dalton estableció que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones que ejercería cada gas si estuviera sólo en el recipiente.
Ley de Dalton: ” La suma de las presiones parciales de cada gas es igual a la presión total de la mezcla de gases”.

Sea una mezcla de n1, n2, n3… moles de gases. Se puede calcular la presión total con la ecuación:

Recordemos que esta expresión nace luego de despejar la formula de la ecuación de estado del gas ideal, dada anteriormente. Reemplanzando los moles (n) por la constante del gas (RT).

LEY DE AVOGADRO

Esta ley relaciona la cantidad de gas (n, en moles) con su volumen en litros (L), considerando que la presión y la temperatura permanecen constantes (no varían).

El enunciado de la ley dice que: El volumen de un gas es directamente proporcional a la cantidad del mismo.

Esto significa que:
➢ Si aumentamos la cantidad de gas, aumentará el volumen del mismo.
➢ Si disminuimos la cantidad de gas, disminuirá el volumen del mismo.

La ley de Avogadro afirma que las masas de un volumen patrón de diferentes gases (densidades) son proporcionales a la masa de cada molécula individual.

Es decir, afirma que dos volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de moléculas. Aunque esto sólo se observa si sus condiciones de temperatura y presión son las mismas. Por tanto, dos botellas idénticas, una llena de oxígeno y otra de helio, contendrán exactamente el mismo número de moléculas. Sin embargo, el número de átomos de oxígeno será dos veces mayor puesto que el oxígeno es diatómico.

podemos expresar la ley de Avogadro así:

Supongamos que tenemos una cierta cantidad de gas n1 que ocupa un volumen V1 al comienzo del experimento. Si variamos la cantidad de gas hasta un nuevo valor n2, entonces el volumen cambiará a V2, y se cumplirá:

otra manera de expresar la ley de Avogadro.

Enunciado de Kelvin – Planck : Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.
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