TERMODINAMICA ¿QUÉ ES Y CUALES SON SUS LEYES?

Se considera que las Leyes de la Termodinámica son las leyes de "mayor categoría" de toda la física, y por lo tanto de toda la ciencia. Son las más comprobadas de toda la ciencia, y se consideran auténticos pilares de la física. Si algún día se demostraran equivocadas, toda nuestra ciencia moderna cambiaría.

Sin embargo, pese a su importancia, son menos conocidas por los "ciudadanos ajenos a la fisica" en comparación con otras leyes , como la Ley de Gravitación Universal, o la Ley de Acción y Reacción (Tercera Ley de Newton).

En este artículo hablaremos acerca de las 3 leyes de la Termodinámica de una manera que entretenga al lector y apoyandonos de unos experimentos caseros que encontramos para poder entender y comprobar de manera sencilla las leyes.

Primera Ley

La Primera Ley de la Termodinámica, es muy conocida por el público en general, y posiblemente sea la ley física más conocida por todo el mundo. Se trata de la ley de conservación de la energía, que de manera abstracta dice que "La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma" aunque su enunciación formal es diferente.

En cualquier proceso que podemos imaginar, la energía en juego es siempre la misma. Si ganamos energía, debe ser a costa de algo o alguien, y si la perdemos, debe ir a algún sitio. No podemos obtener energía de la nada.

Durante siglos, inventores de todo tipo han intentado encontrar lo que se llama "Máquina de movimiento perpetuo de primera especie" que en pocas palabras se supone es una máquina que produce más energía de la que consume. Pero como podemos ver, esto es imposible ya que la Primera Ley lo impide

Segunda Ley

La Segunda Ley de la Termodinámica es menos conocida, y un poco mas dificil de entender si no estamos cercanos a la fisica, si este fuera el caso puede que a alguno le suene como la ley de "eso raro de la entropía".

Y esto es verdad, la enunciación más común de la Segunda Ley nos dice que: "La entropía de un sistema (cerrado y que no esté en equilibrio), tiende a incrementarse con el tiempo, hasta alcanzar el equilibrio".

Pero... ¿y eso qué significa? ¿Qué es eso de la entropía? Bueno, podemos definir la entropía como la "energía no aprovechable" para realizar un trabajo. Es decir, una energía que está ahí, pero que no podemos utilizar. ¿Y cómo es eso?...

Veamos: Cualquier objeto del universo, por el simple hecho de estar a una temperatura superior a los 0 K (-273,15º C ó cero absoluto), tiene una energía interna, que denominamos calor (que el calor es la transferencia de esa energía interna, pero de momento no necesitamos ser tan precisos). Pero para aprovechar ese calor, el objeto debe poder transferirlo a otro. Y para que esto ocurra, ese segundo objeto debe tener menor temperatura.

Esto es muy fácil de entender si pensamos en lo siguiente: imaginemos que tenemos una jarra de agua caliente, y otra de agua fría. Si mezclamos ambos líquidos, el agua fría se calentará, y la caliente se enfriará, hasta que tengamos toda el agua a la misma temperatura. Sin embargo, si volvemos a separar el agua en dos jarras, nunca-jamás, una se enfriará a costa de la otra (que se calentaría), de forma natural. Al mezclar el agua de las dos jarras, hemos realizado un proceso irreversible. Si queremos volver a tener una diferencia de temperatura entre las jarras, necesitaremos una fuente de energía externa, para transferir el calor de una a la otra.

Así que podemos pensar que la Segunda Ley nos dice que el calor fluye de forma natural de los cuerpos de más temperatura, a los de menos. Y si queremos invertir ese proceso, necesitamos aplicar energía.

Por eso los aires acondicionados y los frigobares consumen energía, a pesar de extraer calor (energía) de otros objetos, ya que ese calor extraído no es aprovechable.
Una de las consecuencias de esta ley (definido por Kelvin), es que no podemos transformar el 100% del calor en energía aprovechable. O lo que es lo mismo, no existe ningún proceso de transformación de energía, 100% eficiente. En todo proceso, perderemos algo de energía, en forma de calor, que se utilizará para elevar la temperatura de algún componente de nuestra máquina, o de su entorno, y no podremos aprovechar.

Durante siglos, los inventores han intentado también encontrar una forma de transformar la energía, con una eficiencia del 100%. Pero eso sería una "máquina de movimiento perpetuo de segunda especie", algo menos ambiciosa que la de primera especie, pero igualmente imposible, ya que la Segunda Ley lo impide.

Tercera Ley

La Tercera Ley de la Termodinámica, es la más desconocida para público en general. Sin embargo también es fundamental, ya que nos permite definir escalas absolutas de temperatura. Básicamente nos dice que es imposible alcanzar la temperatura de 0 K ( -273,15º C ó cero absoluto), en un número finito de procesos, lo que en la práctica significa que es imposible alcanzar dicha temperatura.

Esto quiere decir que todos los objetos del universo tienen una temperatura superior a 0 K, por lo que todos los objetos , tienen algo de calor, aunque sea muy poco. Y por tanto, ninguno escapa de la Termodinámica.




Ley Cero

Existe una Ley Cero de la Termodinámica. Este nombre se le ha dado debido a que es mucho más básica que las demás, pero se enunció posteriormente (ya teníamos una Primera Ley).

Dice que "Dos sistemas que estén en equilibrio termodinámico con un tercero, entonces están en equilibrio entre sí". (a=b=c)

VIDEOOOOOOOOOOOOO

Noticia interesante

Solar Engine Whips Waste Heat Into Power
Tracy Staedter, Discovery News

Jan. 25, 2008 -- A new engine with no moving parts has been shown to convert waste heat and concentrated solar energy into electricity better than conventional solar panels.
The invention could lead to electricity generators ranging in size from the very large, such as those used by utility companies, to the very small -- such as those that tap body heat to generate power for personal electronics.
Because the conversion rate is so high, the technology could make solar energy cheap enough to compete with fossil fuels.
"It's not just the dependence on oil, it's the whole challenge of providing energy that is sustainable without destroying the environment," said nuclear engineer Lonnie Johnson, founder of Johnson Research and Development and Johnson Electro-mechanical Systemsm, both in Atlanta.
Johnson is funding his research with money he made by inventing the super soaker squirt gun. His new, somewhat less cavalier, invention is called the Johnson Thermo-Electrochemical Conversion System.
The original goal, in part, was to address a common problem with energy: When it's generated -- by gas, coal, battery, or other means -- much is wasted into thin air. In fact, in the United States alone, the amount of energy lost is more than the energy consumed by the entire country of Japan.
Johnson's engine captures that heat and turns it into useful power.
It's called an engine because it's based on thermodynamic principals that exist in mechanical engines, such as those that power automobiles. In a car engine, moving pistons and rods compress gas at low temperatures and expand it at high temperatures to convert heat energy to mechanical energy to drive the vehicle.

In Johnson's energy-converting system, electrodes on a thin membrane compress hydrogen gas at low temperatures and expand it at high temperatures. The pressure forces hydrogen ions through the membrane, stripping off electrons to generate power.
And although the system uses hydrogen, it does not burn it the way a hydrogen fuel cell would. It simply re-circulates the same quantity over and over.
"This is a whole new way of converting temperature differences to electricity that has never existed before," said Paul Werbos, program director for power, control and adaptive networks at the National Science Foundation in Arlington, VA..
If it works, it could be far more efficient than the best solar cells, which convert about 30 percent of sunlight into energy.
Johnson's system could reach 60 percent. But for that to happen, it needs to operate with very high temperatures, upwards of 1,400 degrees Fahrenheit (800 C).
Achieving that temperature will be a challenge, said Werbos.
"They will need new membranes and electrodes, and they will have to prove that they are handling the hydrogen correctly," said Werbos.
So far, the researchers have built a device that works at 392 degrees F. Johnson hopes to have demonstration model working at 1,400 degrees in a year to 18 months.

El motor Sterling

De forma resumida podemos decir que: un motor sterling es como un motor de vapor, pero en lugar de funcionar con cambios de estado del agua, pasándola de líquido a gaseoso y viceversa, en este sistema se opera con gases, variando sus temperaturas y presiones. Puede tomar energía de diferentes fuentes, incluso de paneles solares térmicos. Además tiene un muy buen aprovechamiento/rendimiento energético (uno de los mejores), aunque no logra grandes potencias (digamos que logra fuerza y economía, pero no tanta velocidad).

A continuación mostremos un video que ejemplifica esto