Explore las tres leyes de la termodinámica

La rama de la ciencia llamada termodinámica trata con sistemas que pueden transferir energía térmica en al menos otra forma de energía (mecánica, eléctrica, etc.) o en el trabajo. Las leyes de la termodinámica se desarrollaron a lo largo de los años como algunas de las reglas más fundamentales que se siguen cuando un sistema termodinámico funciona. a través de algún tipo de cambio de energía.

La historia de la termodinámica comienza con Otto von Guericke quien, en 1650, construyó la primera bomba de vacío del mundo y demostró un vacío utilizando sus hemisferios de Magdeburgo. Guericke fue impulsado a hacer un vacío para refutar la suposición de Aristóteles de que "la naturaleza aborrece el vacío". Poco después de Guericke, el físico y químico inglés Robert Boyle se enteró de los diseños de Guericke y, en 1656, en coordinación con el científico inglés Robert Hooke, construyó una bomba de aire. Al usar esta bomba, Boyle y Hooke notaron una correlación entre presión, temperatura y volumen. Con el tiempo, se formuló la Ley de Boyle, que establece que la presión y el volumen son inversamente proporcionales.

los leyes de la termodinámica tienden a ser bastante fáciles de expresar y comprender... tanto que es fácil subestimar el impacto que tienen. Entre otras cosas, imponen restricciones sobre cómo se puede usar la energía en el universo. Sería muy difícil enfatizar demasiado la importancia de este concepto. Las consecuencias de las leyes de la termodinámica afectan a casi todos los aspectos de la investigación científica de alguna manera.

Para comprender las leyes de la termodinámica, es esencial comprender algunos otros conceptos de termodinámica que se relacionan con ellos.

• Descripción general de la termodinámica: una descripción general de los principios básicos del campo de la termodinámica
• Energía térmica - una definición básica de energía térmica
• Temperatura - una definición básica de temperatura
• Introducción a la transferencia de calor: una explicación de varios métodos de transferencia de calor.
• Procesos termodinámicos: las leyes de la termodinámica se aplican principalmente a los procesos termodinámicos, cuando un sistema termodinámico pasa por algún tipo de transferencia energética.

El estudio del calor como una forma distinta de energía comenzó aproximadamente en 1798 cuando Sir Benjamin Thompson (también conocido como Conde Rumford), un ingeniero militar británico, notó que se podía generar calor en proporción a la cantidad de trabajo. hecho... Un concepto fundamental que finalmente se convertiría en una consecuencia de la primera ley de la termodinámica.

El físico francés Sadi Carnot formuló por primera vez un principio básico de termodinámica en 1824. Los principios que Carnot usó para definir su Ciclo de Carnot El motor térmico se traduciría en la segunda ley de la termodinámica por el físico alemán. Rudolf Clausius, a quien también se le atribuye frecuentemente la formulación de la primera ley de termodinámica.

Parte de la razón del rápido desarrollo de la termodinámica en el siglo XIX fue la necesidad de desarrollar máquinas de vapor eficientes durante la revolución industrial.

Las leyes de la termodinámica no se refieren particularmente a cómo y por qué de transferencia de calor, lo que tiene sentido para las leyes que se formularon antes de que la teoría atómica fuera completamente adoptada. Se ocupan de la suma total de las transiciones de energía y calor dentro de un sistema y no tienen en cuenta la naturaleza específica de la transferencia de calor a nivel atómico o molecular.

Esta ley cero es una especie de propiedad transitiva del equilibrio térmico. La propiedad transitiva de las matemáticas dice que si A = B y B = C, entonces A = C. Lo mismo es cierto para los sistemas termodinámicos que están en equilibrio térmico.

Una consecuencia de la ley cero es la idea de que medir temperatura tiene algún significado en absoluto. Para medir la temperatura, equilibrio termal debe alcanzarse entre el termómetro como un todo, el mercurio dentro del termómetro y la sustancia que se está midiendo. Esto, a su vez, permite saber con precisión cuál es la temperatura de la sustancia.

Esta ley se entendió sin ser explícitamente expuesta en gran parte de la historia de la termodinámica. estudio, y solo se dio cuenta de que era una ley en sí misma a principios del siglo XX siglo. Fue el físico británico Ralph H. Fowler, quien acuñó por primera vez el término "ley cero", basado en la creencia de que era más fundamental incluso que las otras leyes.

Aunque esto puede sonar complejo, es realmente una idea muy simple. Si agrega calor a un sistema, solo hay dos cosas que se pueden hacer: cambiar el energía interna del sistema o hacer que el sistema funcione (o, por supuesto, alguna combinación de los dos). Toda la energía térmica debe dedicarse a hacer estas cosas.

Los físicos suelen usar convenciones uniformes para representar las cantidades en la primera ley de la termodinámica. Son:

• U1 (o Ui) = energía interna inicial al inicio del proceso
• U2 (o Uf) = energía interna final al final del proceso
• delta-U = U2 - U1 = Cambio en la energía interna (usado en casos donde los detalles de las energías internas iniciales y finales son irrelevantes)
• Q = calor transferido a (Q > 0) o fuera de (Q <0) el sistema
• W = trabajo realizado por el sistema (W > 0) o en el sistema (W < 0).

Esto produce una representación matemática de la primera ley que resulta muy útil y se puede reescribir de varias maneras:

El análisis de un proceso termodinámico, al menos dentro de una situación de clase de física, generalmente implica analizar una situación en la que una de estas cantidades es 0 o al menos controlable de manera razonable. Por ejemplo, en un proceso adiabático, la transferencia de calor (Q) es igual a 0 mientras está en un proceso isocrórico la obra (W) es igual a 0.

los primera ley Muchos consideran que la termodinámica es la base del concepto de conservación de la energía. Básicamente dice que la energía que entra en un sistema no se puede perder en el camino, sino que debe usarse para hacer algo... en este caso, cambie la energía interna o realice un trabajo.

Desde este punto de vista, la primera ley de la termodinámica es uno de los conceptos científicos de mayor alcance jamás descubierto.

Segunda ley de la termodinámica: la segunda ley de la termodinámica se formula de muchas maneras, como se abordará en breve, pero es básicamente una ley que, a diferencia de la mayoría de las otras leyes en física, no trata de cómo hacer algo, sino que trata por completo de restringir lo que puede ser hecho.

Es una ley que dice que la naturaleza nos impide obtener ciertos tipos de resultados sin poner mucho trabajo en ello, y como tal también está estrechamente vinculada a la concepto de conservación de energía, como lo es la primera ley de la termodinámica.

En aplicaciones prácticas, esta ley significa que cualquier motor térmico o un dispositivo similar basado en los principios de la termodinámica no puede, incluso en teoría, ser 100% eficiente.

Este principio fue iluminado por primera vez por el físico e ingeniero francés Sadi Carnot, cuando desarrolló su Ciclo de Carnot motor en 1824, y luego se formalizó como ley de termodinámica por el físico alemán Rudolf Clausius.

La segunda ley de la termodinámica es quizás la más popular fuera del ámbito de la física porque está estrechamente relacionada con el concepto de entropía o el trastorno creado durante un proceso termodinámico. Reformulada como una declaración sobre la entropía, la segunda ley dice:

En cualquier sistema cerrado, en otras palabras, cada vez que un sistema pasa por un proceso termodinámico, el sistema nunca puede volver completamente al mismo estado en el que estaba antes. Esta es una definición utilizada para flecha del tiempo dado que la entropía del universo siempre aumentará con el tiempo de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica.

Es imposible una transformación cíclica cuyo único resultado final sea transformar el calor extraído de una fuente que está a la misma temperatura en el trabajo. - El físico escocés William Thompson (Una transformación cíclica cuyo único resultado final es transferir calor de un cuerpo a una temperatura dada a un cuerpo a una temperatura más alta es imposible. - El físico alemán Rudolf Clausius

Todas las formulaciones anteriores de la Segunda Ley de la Termodinámica son declaraciones equivalentes del mismo principio fundamental.

La tercera ley de la termodinámica es esencialmente una declaración sobre la capacidad de crear un absoluto escala de temperatura, para la cual cero absoluto es el punto en el que la energía interna de un sólido es precisamente 0.

Varias fuentes muestran las siguientes tres posibles formulaciones de la tercera ley de la termodinámica:

1. Es imposible reducir cualquier sistema a cero absoluto en una serie finita de operaciones.
2. La entropía de un cristal perfecto de un elemento en su forma más estable tiende a cero cuando la temperatura se acerca al cero absoluto.
3. A medida que la temperatura se aproxima al cero absoluto, la entropía de un sistema se acerca a una constante

La tercera ley significa algunas cosas, y de nuevo todas estas formulaciones resultan en el mismo resultado dependiendo de cuánto tenga en cuenta:

La formulación 3 contiene la menor cantidad de restricciones, simplemente indicando que la entropía va a una constante. De hecho, esta constante es entropía cero (como se indica en la formulación 2). Sin embargo, debido a restricciones cuánticas en cualquier sistema físico, colapsará en su estado cuántico más bajo pero nunca podrá reducir perfectamente a 0 entropía, por lo tanto, es imposible reducir un sistema físico a cero absoluto en un número finito de pasos (lo que nos da la formulación 1).