Explican cómo un sistema físico logra alcanzar y contener energía en numerosas formas, por lo tanto, rigen y explican la transferencia de un tipo de energía en otra.
Clases de energía
Entre las distintas clases de energía que un sistema puede poseer, se encuentran:
– Cinética: es la energía que contiene un cuerpo al generar movimiento.
– Potencial: es la energía que posee un cuerpo debido a su exposición a un campo de fuerzas.
– Térmica: corresponde a la energía interna de un cuerpo que se obtiene en función a su temperatura, esta puede aumentar o disminuir a causa del transporte de energía en forma de calor o trabajo.
Primera ley de la termodinámica
En un sistema, la pérdida o ganancia de calor entre el mismo y sus alrededores está asociado a cambios de energía. Esta energía total del sistema se conoce como energía interna (U), la cual corresponde a la energía asociada con: la energía cinética traslacional de las moléculas, la energía rotacional y vibracional de las moléculas, la energía almacenada en los enlaces químicos, la energía relacionada con las atracciones intermoleculares, la energía asociada a los electrones de los átomos y la energía relacionada con las interacciones de protones y neutrones en los núcleos atómicos.
Los conceptos de trabajo y calor son esenciales para la termodinámica, pues estas corresponden a expresiones del intercambio de energía entre el sistema y su entorno. El trabajo en termodinámicas se conoce como cualquier cantidad de energía que fluye a través un sistema a otro, gracias a la presencia de una fuerza ejercida; mientras que el calor se define como una cantidad de energía que fluye a través de dos sistemas en función a una diferencia de temperatura entre el sistema y su medio exterior.
La relación entre trabajo (w) y calor (q) y sus variaciones de energía interna (∆U) viene dada por la ley de la conservación de energía y se anuncia:
“La cantidad de energía de un sistema solo se transforma en otra, por lo que no varía con el tiempo”.
Este enunciado se conoce como la primera ley de la termodinámica, y se expresa matemáticamente de la siguiente manera:
∆U= q+ w
Segunda ley de la termodinámica
La segunda ley de la termodinámica está asociada con el estudio de la orientación de los procesos naturales o espontáneos, está en combinación con la primera ley ayuda a predecir la dirección espontánea de cualquier proceso, por lo tanto, estudia la posición de equilibrio en cualquier proceso o reacción; además define los parámetros que caracterizan el equilibrio. La ley viene anunciada:
“Todos los procesos espontáneos producen un aumento en la entropía del universo ∆S”.
Se puede expresar puntualmente:
∆S(total) = ∆S(universo) = ∆S sistema + ∆S alrededores
La entropía (∆S) es una propiedad termodinámica ligada con la forma, en la que se reparte la energía de un sistema, entre los diferentes estados macroscópicos de energía disponibles (desorden molecular). Entre mayor sea el desorden, mayor será la entropía.
Tercera ley de la termodinámica
La tercera ley de la termodinámica, está relacionada con la determinación de los valores de la entropía. Para definir el valor absoluto de la entropía en una sustancia, se establece una situación en la sustancia la cual contiene el menor nivel de energía posible (punto cero de energía), luego se evalúan las variaciones de entropía considerando diferentes condiciones de presión y temperatura, finalmente estas variaciones de entropía son sumadas y se obtiene un valor numérico para la entropía absoluta.
La tercera ley de la termodinámica viene expresada como:
“La entropía de un cristal puro y perfecto a 0K es cero”.
De este modo, se puede decir que a medida que la temperatura aumenta en un sistema, el desorden o la libertad de movimiento también aumenta.
Ley cero de la termodinámica
La ley cero de la termodinámica o ley del equilibrio térmico da un significado operacional de la temperatura, que no depende de la sensación de frío o caliente, y está basada en la experiencia de que:
“Varios cuerpos en contacto térmico no se encuentran totalmente en equilibrio si no poseen la misma temperatura”.
Autora
Escrito por Mahiceth Quintero Valero para la Edición #111 de Enciclopedia Asigna, en 05/2022. Mahiceth es Doctora en Química Aplicada