Leyes de la Termodinámica

Primera Ley de la Termodinámica

Es una adaptación para la termodinámica de la ley de conservación de la energía. Se define la energía interna del sistema, E, como su energía respecto del SR del centro de masa.

El trabajo necesario para cambiar el estado de un sistema aislado depende únicamente de los estados inicial y final, y es independiente del método usado para realizar el cambio.

Por tanto, existe una función de estado que identificamos como la energía interna. El trabajo realizado sobre el sistema es W. Por tanto, el cambio de la energía interna durante una transformación adiabática es
∆ E = W.

El sistema también puede variar su energía sin realizar trabajo mecánico, se transfiere de otra forma, como calor.

Definición de calor: La cantidad de calor Q absorbido por un sistema es el cambio en su energía interna que no se debe al trabajo. La conservación de energía será:
∆ E = Q + W.

Usamos d para una diferencial (propia) que depende sólo del cambio de estado. Usamos δ para indicar una diferencial (impropia) que también depende del proceso usado para cambiar el estado. Por tanto se escribe: d E = δ Q + δ W.



Segunda Ley de la Termodinámica

La base de esta ley es el hecho de que si mezclamos partes iguales de dos gases nunca los encontraremos separados de forma espontánea en un instante posterior.

Enunciado de Clausius: No hay ninguna transformación termodinámica cuyo único efecto sea transferir calor de un foco frío a otro caliente.
Enunciado de Kelvin: No hay ninguna transformación termodinámica cuyo único efecto sea extraer calor de un foco y convertirlo totalmente en trabajo.

La segunda ley proporciona la base para el concepto termodinámico de entropía.

Principio de máxima entropía: Existe una función de estado de los parámetros extensivos de cualquier sistema termodinámico, llamada entropía S, con las siguientes propiedades:

1. los valores que toman las variables extensivas son los que maximizan S consistentes con los parámetros externos, }
2. la entropía de un sistema compuesto es la suma de las entropías de sus subsistemas. (2º y 3º postulados de Callen) 

Esta ley plantea la imposibilidad de convertir 100 % de la energía térmica en trabajo útil. Esta ley se podría definir de muchas formas aquí presentamos dos posibles.

El calor nunca fluye por sí mismo de un cuerpo frío a otro caliente

Es imposible construir una máquina que, si opera continuamente, no produzca otro efecto que la extracción de calor de una fuente y la realización de una cantidad equivalente de trabajo.

Entonces el calor siempre fluye de lo caliente a lo frió, en una maquina térmica por ejemplo se generara una alta temperatura que servirá para producir un trabajo útil y una baja que será desechada.

Tercera Ley de la Termodinámica

Esta ley establece que es imposible conseguir el cero absoluto de la temperatura (0 grados Kelvin), cuyo valor es igual a - 273.15°C. Alcanzar el cero absoluto de la temperatura también seria una violación a la segunda ley de la termodinámica, puesto que esta expresa que en todamáquina térmica cíclica de calor, durante el proceso, siempre tienen lugar pérdidas de energía calorífica, afectando asi su eficiencia, la cual nunca podrá llegar al 100% de su efectividad.

Terorema de Nerst: Una reacción química entre fases puras cristalinas que ocurre en el cero absoluto no produce ningún cambio de entropía. 

Enunciado de Planck: Para T→0, la entropía de cualquier sistema en equilibrio se aproxima a una constante que es independiente de las demás variables termodinámicas. 

Teorema de la inaccesibilidad del cero absoluto: No existe ningún proceso capaz de reducir la temperatura de un sistema al cero absluto en un número finito de pasos.