LEYES TERMODINAMICAS

LEYES TERMODINAMICAS

Las leyes de la termodinámica son tres axiomas universales que gobiernan a todos los procesos naturales en los cuales una forma de energía se transforma en otra y este cambio ocurre en presencia de fricción (o frotamiento, desgaste). Por axiomas universales queremos decir afirmaciones extraídas directamente de la experiencia válida para cualquier sistema físico, químico obiológico independientemente de su constitución atómica o molecular. Su belleza y generalidad fue reconocida por Einstein: son las únicas verdades que permanecieron inalteradas ante las dos grandes revoluciones científicas del siglo xx: la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad. Por otra parte, la transformación de una forma de energía en otra no puede concebirse sin la presencia deaditamentos mecánicos: palancas, acumuladores, pistones, transformadores, pilas, etc. En todos estos casos y aun en sistemas más sofisticados como los seres vivos, hay desgaste, fricción. Resumir o condensar estos hechos en un lenguaje preciso tomó más de trescientos años y de ahí surgieron las citadas leyes. Es posible que la primera interrogante incisiva sobre esta cuestión se planteara por vezprimera en el siglo xvll cuando en las minas de carbón de Francia e Inglaterra, frecuentemente azotadas por inundaciones, se pensó en una forma práctica de sacar el agua de los tiros y túneles que las formaban. Extraer el agua implicaba realizar una cierta cantidad de trabajo y de ahí surgió la pregunta: ¿cuánto trabajo es posible obtener al quemar, digamos, una tonelada de combustible? La respuesta,totalmente empí­rica a esta cuestión, dio lugar a la concepción de las máquinas de vapor desarrolladas por Joule y Watt a principios del siglo XIX y llevadas a su perfección a fines de ese mismo siglo sin que se tuviera una idea clara de cuáles eran las leyes físicas que gobernaban los principios que permitían su funcionamiento. El primer paso en esta dirección lo dio el brillante ingenierofrancés N. Sadi Carnot en 1824, y que, después perfec­cionado por W. Thompson (los de Kelvin), el mismo Joule y el médico alemán J. Mayer llevaron a enunciar por vez primera (1847-1850) lo que hoy se conoce como la primera ley de la termodinámica. Veamos pues cuáles fueron las ideas esenciales.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
En 1824, N. Sadi Carnot, probablemente basado en las experiencias del condeRumford, hace notar que no es posible convertir calor en trabajo ilimitadamente. Esto es muy importante pues lo opuesto es válido, obviamente ¡por fricción! En segundo lugar "diseña" una máquina, que hoy lleva su nombre y que tiene dos virtudes: primero, opera en ciclos, esta es la sustancia operante cualesquiera que esta sea (gas, líquido, gasolina, etc.) siempre regresa a su estado inicial.Segundo, la máquina 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 más técnico, la máquina puede operar como máquina térmica o como refrigerador. Esto lo hace absorbiendo una cierta cantidad de calor de un cuerpocaliente y cediendo otra a un cuerpo más frío. 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 máquina térmica puede producir trabajo solamente dependerá de las temperaturas de los cuerpos entre los cuales opera y de nada más. Esta conjetura tiene un contenidofísico 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 al que llaman energía interna. Así, si a un cuerpo aislado de sus alrede­dores le cedemos la misma cantidad de...