INTRODUCCIÓN

La termodinámica relaciones condiciones fundamentales para la vida como el

calor, la energía interna, el volumen de un cuerpo

Por lo general un curso previo de física constituye previa contextualización de algunas

nociones fundamentales como energía y su conservación, trabajo, movimiento, calor,

temperatura etc. Se da por descontado que todas ellas se conocen en alguna medida al

abordar la materia por primera vez.

Esas nociones primitivas se profundizan; se estudian todas las formas de energía

que pueden tener que ver con un sistema, se distinguen claramente aquellas magnitudes

físicas que son propiedades termodinámicas de aquellas que no lo son, y se diferencian

clases de sistemas (abierto, cerrado, aislado, etc). Es en esta etapa donde se tiene un

primer feliz encuentro con un racionamiento tan poderoso que será en adelante el santo

grial de la interpretación matemática de una enorme cantidad de situaciones físicas

prácticas: el principio del balance.

Que es termodinámica

La termodinámica (del griego θερμo, termo, que significa «calor» y δύναμις,

dínamis, que significa «fuerza») es la rama de la física que describe los estados de

equilibrio a nivel macroscópico. El Diccionario de la lengua española de la Real

Academia Española, por su parte, define a la termodinámica como la rama de la física

encargada del estudio de la interacción entre el calor y otras manifestaciones de la

energía. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos,

que estudia sistemas reales, sin modernizar y sigue un método experimental. Los

estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales

como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o

por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura,

presión y el potencial químico; otras magnitudes, tales como la emanación, la fuerza

electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general

también pueden tratarse por medio de la termodinámica.

La termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de

equilibrio, definidos como aquel estado hacia «el que todo sistema tiende a evolucionar

y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan

determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente

aplicadas». Tales estados terminales de equilibrio son, por definición, independientes

del tiempo, y todo el aparato formal de la termodinámica –todas las leyes y variables

termodinámicas– se definen de tal modo que podría decirse que un sistema está en

equilibrio si sus propiedades pueden describirse consistentemente empleando la teoría

termodinámica. Los estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los

contornos del sistema y las restricciones a las que esté sometido. Por medio de los

cambios producidos en estas restricciones (esto es, al retirar limitaciones tales como

impedir la expansión del volumen del sistema, impedir el flujo de calor, etc.), el sistema

tenderá a evolucionar de un estado de equilibrio a otro; comparando ambos estados de

equilibrio, la termodinámica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y

energía térmica entre sistemas térmicos diferentes.

Como ciencia fenomenológica, la termodinámica no se ocupa de ofrecer una

interpretación física de sus magnitudes. La primera de ellas, la energía interna, se acepta

como una manifestación macroscópica de las leyes de conservación de la energía a nivel

microscópico, que permite caracterizar el estado energético del sistema macroscópico.

El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son los

que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor o

trabajo, y que solo puede hacerse de una determinada manera. También se introduce una

magnitud llamada entropía, que se define como aquella función extensiva de la energía

interna, el volumen y la composición molar que toma valores máximos en equilibrio: el

principio de maximización de la entropía define el sentido en el que el sistema

evoluciona de un estado de equilibrio a otro.

Es la mecánica estadística, íntimamente relacionada con la termodinámica, la

que ofrece una interpretación física de ambas magnitudes: la energía interna se

identifica con la suma de las energías individuales de los átomos y moléculas del

sistema, y la entropía mide el grado de orden y el estado dinámico de los sistemas, y

tiene una conexión muy fuerte con la teoría de información. En la termodinámica se

estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir

conceptos como sistema termodinámico y su contorno. Un sistema termodinámico se

caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante las ecuaciones de estado.

Estas se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales

termodinámicos, útiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los

procesos espontáneos.

Con estas herramientas, la termodinámica describe cómo los sistemas responden

a los cambios en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de ramas de la

ciencia y de la ingeniería, tales como motores, cambios de fase, reacciones químicas,

fenómenos de transporte, e incluso agujeros negros.

Que es energía

En el latín es donde nos encontramos el origen etimológico de la palabra

energía. Más exactamente lo hayamos en el término energía, el cual a su vez, según se

ha determinado, procede de la palabra griega ένέρϒεια.

Energía está relacionada con la capacidad de generar movimiento o lograr la

transformación de algo. En el ámbito económico y tecnológico, la energía hace

referencia a un recurso natural y los elementos asociados que permiten hacer un uso

industrial del mismo.

Por ejemplo: “El país tiene serios problemas de energía por la falta de

inversiones”, “Gómez es un jugador de mucha energía, capaz de cambiarle la

fisonomía al equipo”, “En la última semana, ya se ha cortado la energía tres veces”.

Pueden detallarse diversos tipos de energía según el campo de estudio. La energía

mecánica, por ejemplo, es la combinación de la energía cinética (que genera a partir del

movimiento) y la energía potencial (vinculada a la posición de un cuerpo dentro de un

campo de fuerzas).

Entendida como un recurso natural, la energía no es un bien por sí misma, sino

que es que un bien calificado como intermedio, ya que posibilita la satisfacción de

ciertas necesidades cuando se produce un bien o se oferta un servicio.

La energía también puede clasificarse según fuente. Se llama energía no

renovable a aquella que proviene de fuentes agotables, como la procedente del petróleo,

el carbón o el gas natural. En cambio, la energía renovable es virtualmente infinita,

como la eólica (generada por la acción del viento) y la solar.

Hoy día precisamente, ante la concienciación que, poco a poco, está tomando la

sociedad de lo imprescindible que es que acometamos la protección del medioambiente,

se está produciendo un gran auge de las mencionadas energías renovables. Y es que la

utilización de ellas contribuye a que dejemos de explotar otras fuentes que contaminan,

que perjudican enormemente al entorno natural y como consecuencia también a

nosotros y a nuestro propio bienestar.

Que es calor ? ?

el calor es aquello que siente un ser vivo ante una temperatura elevada. La física

entiende el calor como la energía que se traspasa de un sistema a otro o de un cuerpo a

otro, una transferencia vinculada al movimiento de moléculas, átomos y otras partículas.

En este sentido, el calor puede generarse a partir de una reacción química (como la

combustión), una reacción nuclear (como aquellas que se desarrollan dentro del Sol) o

una disipación (ya sea mecánica, fricción, o electromagnética, microondas).

Existen otros usos del término calor, por lo general relacionados con un sentido

simbólico. El calor puede ser, por lo tanto, sinónimo de enardecimiento y exaltación

(por ejemplo, “El calor del público se hizo sentir en el estadio”) o referirse a lo más

intenso de una acción (“Su ropa se rompió en el calor de la batalla”).

Que es trabajo

Como trabajo denominamos el conjunto de actividades que son realizadas con el

objetivo de alcanzar una meta, la solución de un problema o la producción de bienes y

servicios para atender las necesidades humanas. La palabra, como tal, proviene del

latín tripaliāre, y esta a su vez de tripalĭum.

El trabajo, como tal, puede ser abordado de varias maneras y con enfoque en

diversas áreas, como la economía, la física, la filosofía, la religión, etc.

El trabajo les da posibilidades a los hombres y las mujeres para lograr sus sueños,

alcanzar sus metas y objetivos de vida, además de ser una forma de expresión y de

afirmación de la dignidad personal.

En este sentido, el trabajo es el que hace que el individuo actúe, proponga

iniciativas y desarrolle y pueda mejorar sus habilidades. El trabajo enseña al hombre a

vivir y compartir con otras personas y con sus diferencias, a desarrollar conciencia

cooperativa y a pensar en el equipo y no solo en sí mismo.

El trabajo permite que las personas aprendan a hacer las cosas con un objetivo

determinado, ya desde temprano en la escuela. Gracias al trabajo el ser humano

comienza a conquistar su propio espacio, así como el respeto y la consideración de los

demás, lo cual además contribuye a su autoestima, satisfacción personal y realización

profesional.

Leyes de Termodinámica aplicado en la economía

La crisis financiera y la actual recesión mundial han desatado un intenso debate

sobre las causas que la originaron, así como las que impidieron advertirla. Esta puede

ser la comprobación de que los supuestos económicos son limitados y deficientes al

estar basados en comportamientos ideales, pero ajenos a la realidad. La teoría

económica ha tomado muchas ideas de la física de laboratorio, pero, sin embargo, no

toma en cuenta las leyes de la termodinámica al sostener que una vez alcanzado el

equilibrio de mercado, este es estable y permanente. Quizá en esta obsesión de lo

inmutable radique el fracaso que hoy vive la macroeconomía.

La idea del crecimiento constante que impera en el pensamiento económico

tradicional no toma en cuenta que los sistemas tienden al caos, al desorden, como

expresa la segunda ley de la termodinámica. La economía convencional opera en un

sistema perfecto donde los equilibrios son automáticos y donde el costo de muchos

factores, especialmente los energéticos, es cero. Por este motivo la economía actual

va por el derrotero de lo no sustentable. De ahí que un grupo pequeño pero creciente

de economistas constate que estas ideas están obsoletas al asumir como “dados”

muchos factores que están en vías de agotarse. Afortunadamente, desde la biofísica a

la economía ecológica ha comenzado a abrirse un campo que pretende transformar la

visión económica tradicional.

Parte de estas ideas las propuso en los años 20 el científico Frederick Soddy,

un químico galardonado con el premio nobel que sostenía que el tema energético

debería estar en el corazón de todos los temas vinculados a la economía. Soddy criticó

la miopía de las curvas de oferta y demanda de la teoría económica tradicional por

ignorar la riqueza real y su sesgo sistémico. Si la economía comprendiera la riqueza

real, sostenía Soddy, incluiría dentro de sus parámetros las leyes de la entropía, es

decir, la tendencia inevitable a la desintegración, al caos, a la decadencia de los

sistemas.

Es evidente que la escuela monetarista de Chicago, ocupada casi en exclusiva

de los temas financieros y del equilibrio de corto plazo, no puede incorporar una

mirada extendida sobre los planteamientos biofísicos. Uno de los ejemplos concretos

de este tipo es el llamado pico del petróleo, pese a que los Estados Unidos es el

principal ejemplo: tuvo su pico de producción en 1970 y desde entonces se ha vivido

bajo la tensión del petróleo, partiendo por la crisis petrolera de 1973-1974 que golpeó

a todo el mundo y que derribó incluso a algunos gobiernos.

Si bien Estados Unidos sigue siendo uno de los grandes productores de

petróleo, su producción dejó de crecer hace más de un cuarto de siglo. De ser un

exportador neto de petróleo hasta 1970, pasó a depender de las compras externas y

hoy su producción cubre apenas el 25% de su demanda, debiendo importar el 75%

restante. Asimismo, si la producción de 100 barriles de petróleo tenía un costo de 1

barril en 1930, el costo alcanzó los 3 barriles en 1990 y 6 barriles el año 2006,

encaminándose a los 10 barriles. Este ejemplo nos ayuda a comprender que los

modelos económicos se han equivocado al tratar a la energía como un insumo de fácil

acceso y de costo cero.

El principal problema de la economía neoclásica es justamente que trata a la

energía como a cualquier otro insumo en sus funciones de producción, lo que ha sido

un error fatal. Los recursos no son infinitos y su uso indiscriminado no ha sido

advertido. Tal como no han sido advertidos los informes Planeta Vivo que dan cuenta

del estado de los ecosistemas. En los últimos 30 años ha desaparecido un tercio de las

especies de mar y tierra, producto de la depredación humana y también del cambio

climático, un tema tan advertido como esquivo. La biofísica tiene un largo camino

para plantear sus nociones de la economía sustentable.

Principio cero de la termodinámica

Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada

temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio

termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

En palabras simples: «Si se pone un objeto con cierta temperatura en contacto

con otro a una temperatura distinta, ambos intercambian calor hasta que sus

temperaturas se igualan». Tiene una gran importancia experimental «pues permite

construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema» pero no resulta tan

importante en el marco teórico de la termodinámica.

El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del

mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado

del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión

lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo.

El tiempo es un parámetro cinético, asociado a nivel microscópico; el cual a su vez está

dentro de la físico química y no es parámetro debido a que a la termodinámica solo le

interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final. A dichas variables empíricas

(experimentales) de un sistema se las conoce como coordenadas térmicas y dinámicas

del sistema.

Este principio fundamental, aún siendo ampliamente aceptado, no fue formulado

formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que

recibiese el nombre de principio cero.

Resumidamente: Si dos sistemas están por separado en equilibrio con un tercero,

entonces también deben estar en equilibrio entre ellos. Si tres o más sistemas están en

contacto térmico y todos juntos en equilibrio, entonces cualquier par está en equilibrio

por separado.

Primera ley de la termodinámica

También conocida como principio de conservación de la energía para la

termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este

intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.

Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria

que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía

interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones

sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar

esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta

obra fue incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por

Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las bases de

la termodinámica.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos

termodinámico, queda de la forma:

Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado

al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

Esta última expresión es igual de frecuente encontrarla en la forma

. Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y

su diferencia está en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional

Segunda ley de la termodinámica

Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos

termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario

(por ejemplo, dice algo así como que una mancha de tinta dispersada en el agua no

puede volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos

casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin

pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de

energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo el primer

principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud

física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia

materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor

que cero.

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es

unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura,

hasta lograr un equilibrio térmico.

La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo

mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de

este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su

equivalente en el trabajo mecánico obtenido.

Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el

de Clausius y el de Kelvin.

Enunciado de Clausius

En palabras de Sears es: «No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea

la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una

cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada».

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, con la realización

de una cantidad igual de trabajo. Sería correcto decir que "Es imposible construir una

máquina que, operando cíclicamente, produzca como único efecto la extracción de calor

de un foco y la realización equivalente de trabajo". Varía con el primero, dado a que en

él, se puede deducir que la máquina transforma todo el trabajo en calor, y, que el resto,

para otras funciones... Este enunciado afirma la imposibilidad de construir una máquina

que convierta todo el calor en trabajo. Siempre es necesario intercambiar calor con un

segundo foco (el foco frío), de forma que parte del calor absorbido se expulsa como

calor de desecho al ambiente. Ese calor desechado, no pude reutilizarse para aumentar

el calor (inicial) producido por el sistema (en este caso la máquina), es a lo que

llamamos entropía.

Otra interpretación

Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en

trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos

concluir, que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte

calor en trabajo, siempre será menor a la unidad, y esta estará más próxima a la unidad,

cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el

rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente,

y viceversa.

Tercera ley de la termodinámica

Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado de Nernst como "la

tercera de las leyes de la termodinámica". Es importante reconocer que no es una noción

exigida por la termodinámica clásica por lo que resulta inapropiado tratarlo de «ley»,

siendo incluso inconsistente con la mecánica estadística clásica y necesitando el

establecimiento previo de la estadística cuántica para ser valorado adecuadamente. La

mayor parte de la termodinámica no requiere la utilización de este postulado. El

postulado de Nernst, llamado así por ser propuesto por Walther Nernst, afirma que es

imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de

procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se

aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La

entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas

iguales al cero absoluto.

Es importante remarcar que los principios o leyes de la termodinámica son

válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel

microscópico. La idea del demonio de Maxwell ayuda a comprender los límites de la

segunda ley de la termodinámica jugando con las propiedades microscópicas de las

partículas que componen un gas.

Sistema

Se puede definir un sistema como un conjunto de materia, que está limitado por

unas paredes, reales o imaginarias, impuestas por el observador. Si en el sistema no

entra ni sale materia, se dice que se trata de un sistema cerrado, o sistema aislado si no

hay intercambio de materia y energía, dependiendo del caso. En la naturaleza, encontrar

un sistema estrictamente aislado es, por lo que sabemos, imposible, pero podemos hacer

aproximaciones. Un sistema del que sale y/o entra materia, recibe el nombre de abierto.

Ponemos unos ejemplos:

Un sistema abierto: se da cuando existe un intercambio de masa y de

energía con los alrededores; es por ejemplo, un coche. Le echamos

combustible y él desprende diferentes gases y calor.

Un sistema cerrado: se da cuando no existe un intercambio de masa con

el medio circundante, solo se puede dar un intercambio de energía; un

reloj de cuerda, no introducimos ni sacamos materia de él. Solo precisa

un aporte de energía que emplea para medir el tiempo.

Un sistema aislado: se da cuando no existe el intercambio ni de masa y

energía con los alrededores; ¿Cómo encontrarlo si no podemos

interactuar con él? Sin embargo un termo lleno de comida caliente es

una aproximación, ya que el envase no permite el intercambio de materia

e intenta impedir que la energía (calor) salga de él. El universo es un

sistema aislado, ya que la variación de energía es cero

Medio externo

Se llama medio externo o ambiente a todo aquello que no está en el sistema pero

que puede influir en él. Por ejemplo, consideremos una taza con agua, que está siendo

calentada por un mechero. Consideremos un sistema formado por la taza y el agua,

entonces el medio está formado por el mechero, el aire, etc.

CONCLUSIONES

Las tecnologías desempeñan un papel fundamental en la seguridad del

abastecimiento, la eficiencia energética y la protección del medio ambiente. Son un

factor de desarrollo y de posicionamiento de las industrias energéticas en el mercado

mundial.

Tanto en las técnicas de producción como en las de utilización y consumo de

energía. Además fomentan el desarrollo de tecnologías conexas en otros campos tales

como protección medioambiental, y tecnologías de control y de información. La

Termodinámica permite usar la información obtenida en los experimentos de un sistema

para obtener conclusiones sobre otros aspectos del mismo sistema, sin tener que hacer

más experimentación.

Finalmente, quiero concluir resaltando la importancia que tiene el equilibrio de

un sistema cualquiera con su medio ambiente. Esta relación es muy importante en todas

las actividades que se realizan en el universo, ya que una vez que exista un

desequilibrio, esto provocará un desorden y posiblemente un caos en el sistema y su

ambiente

Bibliografía

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