Los principios de la termodinámica
Los principios de la termodinámica son leyes fundamentales que nos permiten entender como la energía fluye e se transforma en diversos sistemas, involucrando calor, trabajo y los cambios en la energía. Desde la respiración celular hasta el motor de un auto, estas leyes fundamentales explican en esencia como funcionan los sistemas físicos.
A lo largo de la historia, hemos ido organizando lo que sabemos acerca de la ciencia en base a cuarto principios fundamentales, que ... estas leyes descubiertas se cumplen en al menos casi todos los sistemas físicos conocidos que conforme ha avanzado el tiempo en esta materia hemos desarrollado un marco teórico muy sólido en estas leyes universales que son permiten explicar un gran número de fenómenos y acontecimientos físicos.
Se utilizan para diseñar motores, turbinas, sistemas de refrigeración en ingeniería de diversos tipos, en química para predecir reacciones químicas y equilibrio energético, en biología nos permite comprender entre otras cosas el metabolismo de un cuerpo, en astronomía son leyes indispensables para estudiar la evolución del universo y comprender fenómenos astrofísicos, entre otras disciplinas fundamentales.
Existe una base en el concepto de temperatura que da vida a los cuatro principios de la termodinámica al tener dos sistemas físicos:
- Principio cero: Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, entonces todos estarán en equilibrio térmico. Además es importante que el calor siempre fluye de un cuerpo o un sistema con mayor temperatura hacia otro con menor temperatura, hasta que ambos alcancen el equilibrio térmico. Un ejemplo de esto es una taza de café con una cuchara metálica, al presentarse esto la cuchara se calienta porque el calor del café se traspasa a la cuchara y el efecto de esto es que el café se enfría un poco más rápido hasta que alcancen un punto llamado equilibrio térmico si dejáramos la cuchara en la taza, esto es un intercambio de calor.
Así, aparece definida como un sistema conectado a la rapidez con la que las partículas involucradas colisionan entre sí y se desplazan, si tuviésemos partículas moviéndose a mayores velocidades e interactuando de forma más agresiva estamos hablando de calor, que producirá un aumento la temperatura de un sistema, mientras que, a medida que se detienen y cesan los choques, se trata de una interacción menor entre las partículas más próximas y como resultado la temperatura baja.
- Primer principio: Este es el pilar de la conservación de la materia y sostiene que: "La materia no se crea ni se destruye en nuestro universo, solo se transforma", como por ejemplo una ampolleta (bombilla) que encendemos en la cuál la energía eléctrica que llega se transforma en luz y en calor, pero esa energía nunca desaparece, para los más rebuscados... que pasa entonces si apagamos la ampolleta: La energía queda en el sistema eléctrico, solamente cesa el intercambio de energía, la luz y el calor que queda al apagar el interruptor es liberado al ambiente, resultando que el sistema conserva la energía total o la transfiere, cumpliendo así este principio.
- Segundo principio: "La entropía del universo tiende a aumentar." Aquí se introduce este concepto que es la entropía, es un término que puede asustar en un comienzo pero es muy sencillo, entropía representa el grado de desorden o dispersión en un sistema. Por ejemplo, un cubo de hielo que sacamos de la nevera, al principio el cubo está ordenado en cuanto a sus partículas, pero como lo hemos sacado de su lugar de conservación las moléculas de agua estructuradas en un comienzo comienzan a dispersarse, el hielo se derrite y queda solamente una masa de agua, esta transformación muestra el aumento de la entropía, el cubo que llamamos sistema pasa de un estado ordenado a uno disperso, el cubo de hielo ha pasado por una entropía.
Es posible concluir que en un sistema cerrado, la entropía siempre tiende a aumentar con el paso del tiempo, y este concepto está directamente relacionado a la irreversibilidad de los procesos, una acción que sucede no se puede devolver en sentido contrario.
- Tercer principio: Dentro de la física existe el término de cero absoluto. Un estado que es casi inalcanzable para cualquier sistema u objeto, es un estado en el que las partículas se hayan total y completamente quietas (En un cuerpo en estado sólido de la materia existen vibraciones e interacciones aunque sean pequeñas) sin experimentar ningún tipo de vibración, solemos identificarlo con 0° K que es equivalente a -273 °C, y que cuándo un sistema se acerca a este punto llamado "cero absoluto" la entropía de dicho sistema tienda a un valor mínimo y constante sin ser completamente un cero absoluto. Esto sucede porque a medida que nos acercamos a esta temperatura límite, es inversamente proporcional la energía necesaria para llegar a ese cero, es decir se necesitaría una cantidad infinita de energía para continuar la extracción de calor en nuestro sistema y sabemos que no es posible. Entonces, hemos dado cuenta que existe una conexión más que estrecha entre la temperatura y el desorden molecular, a medida que nos aproximamos al cero absoluto la entropía se reduce y las estructuras moleculares tienden a mostrar un orden mayor y mayor, ya que se limita la vibración y se reduce el movimiento de las partículas que componen el cuerpo.
¿Y si no hubiésemos descubierto estos principios...?
Sin el conocimiento de estos principios, no lograríamos explicar por qué fluye el calor de un lado a otro, ni como funciona la electricidad o por qué el universo no puede revertir su expansión. En definitiva, entendemos el universo al momento actual gracias al conocimiento de principios fundamentales del comportamiento de nuestro universo y con los avances que con el paso del tiempo vamos consiguiendo al descubrir el potencial de entre otras cosas, la mecánica cuántica nos puede permitir descubrir más leyes que cumple el universo y principios en que todo evento dentro del sistema ocurren.
Créditos de las imágenes:
https://www.pexels.com/es-es/foto/hoguera-cerca-del-campo-de-hierba-durante-el-amanecer-1059042/
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