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PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

En 1824, N. Sadi Carnot, probablemente basado en las experiencias del conde Rumford, hace notar que no es posible convertir calor en trabajo ilimitadamente. Esto es muy importante pues lo opuesto es valido, obviamente !por fricción! En segundo lugar "diseña" una maquina, que hoy lleva su nombre y que tiene dos virtudes: primero, opera en ciclos, esta es lasustancia operante cualesquiera que esta sea (gas, liquido, gasolina, etc.) siempre regresa a su estado inicial. Segundo, la maquina es reversible, esto es, el proceso que tiene lugar en un ciclo puede recorrerse en una dirección u otra. Esta propiedad se conoce como reversibilidad de Carnot y no debe confundirse con el concepto de reversibilidad mecánica. En lenguaje mas técnico, la maquina puedeoperar como maquina térmica o como refrigerador. Esto lo hace absorbiendo una cierta cantidad de calor de un cuerpo caliente y cediendo otra a un cuerpo mas frio. Carnot establece claramente que si hay un diferencial de temperaturas entre dos cuerpos puede producirse un trabajo útil. Finalmente lanza la conjetura de que la eficiencia con que una maquina térmica puede producir trabajo solamentedependerá de las temperaturas de los cuerpos entre los cuales opera y de nada más. Esta conjetura tiene un contenido físico difícilmente apreciado hoy en día inclusive por los expertos en la materia. Por otra parte, entre 1842 y 1847, Joule y Mayer llevan a cabo sus experimentos en forma independiente para mostrar que todo sistema (cuerpo) macroscópico posee un atributo inherente a su estructura alque llaman energía interna. Así, si a un cuerpo aislado de sus alrededores le cedemos la misma cantidad de trabajo, no importa como la hagamos, este solo afecta a su energía interna. Cuando el sistema no esta aislado, la diferencia entre el cambio en la energía interna y el trabajo cedido no es cero. A la diferencia, que es una medida de la energía intercambiada entre el sistema y sus alrededorespor medios mecánicos, se le llama calor. Así pues surge la formulación matemática de la primera ley: "￡'≪ todo proceso en la naturaleza, la enerva se conserva si se toma en cuenta el calor".
En este punto vale la pena hacer una pausa para insistir en que la primera ley de la termodinámica no es, como la afirman erróneamente muchos autores, el principio de la conservación de la energía. De hechoeste principio se utiliza en forma categórica para definir energía interna. Si tomamos un sistema cualquiera recubierto con paredes aislantes (asbesto) y le suministramos una cierta cantidad de trabajo sin que el sistema sufra desplazamiento alguno, esto es, su energía cinética y potencial no varíen, que ocurre con el trabajo cedido. Trabajo es energía, luego al transferirlo al sistema dichaenergía debe acumularse de alguna manera. De ahí se infiere que debe existir un incremento numérico en la energía del sistema igual al valor del trabajo cedido y esa energía se denomina "interna". La existencia de este atributo en todo sistema termodinámico es el contenido fundamental de la primera ley de la termodinámica. El paso siguiente lo da ahora Lord Kelvin (W. Thomson). Usando el concepto deeficiencia y la primera ley demuestra matemáticamente la conjetura de Carnot, esto es, la eficiencia de toda maquina de Carnot solo depende de la temperatura de los dos cuerpos entre los cuales opera la maquina y nada mas. Y lo mas sorprendente es que en su razona-miento encuentra la forma, muy elegante, de definir una escala termométrica independiente de las propiedades de la materia. A estaescala se le conoce hoy en dia como escala universal o escala Kelvin de temperaturas (no absoluta como dicen muchos autores, lo cual es un error). Volveremos a este punto mas adelante.




SEGUNDA LEY DE IA TERMODINAMICA

Lord Kelvin estuvo a un paso de poder extraer del trabajo de Carnot la segunda ley, pero no lo hizo, posiblemente distraído por la idea de explicar el fenómeno de la...