Termodinámica
La termodinámica es la rama de la física que estudia las transformaciones de energía entre calor y trabajo.
La termodinámica es la rama de la física que estudia las transformaciones de la energía, en particular las relaciones entre calor, trabajo y temperatura. Sus leyes explican por qué funcionan los motores y las neveras, por qué el calor fluye del cuerpo caliente al frío y por qué ningún proceso real es perfectamente eficiente.
¿Qué es la termodinámica?
Describe el comportamiento de los sistemas macroscópicos mediante magnitudes como la presión, el volumen, la temperatura y la energía interna, sin necesidad de conocer el movimiento de cada partícula. Su desarrollo en el siglo XIX, ligado a la Revolución Industrial y a las máquinas de vapor, tiene como protagonistas a Sadi Carnot (1824), James Joule, Rudolf Clausius, William Thomson (lord Kelvin) y, más tarde, Ludwig Boltzmann, que la conectó con la estadística de las partículas.
El término procede del griego thermós («caliente») y dýnamis («fuerza, potencia»), y alude a la capacidad del calor para producir movimiento.
Conceptos básicos
- Sistema: la parte del universo que se estudia. Puede ser abierto (intercambia materia y energía), cerrado (solo energía) o aislado (ninguna).
- Entorno: todo lo que rodea al sistema.
- Variables de estado: presión (P), volumen (V), temperatura (T), energía interna (U), entropía (S)…
- Proceso: cambio de estado. Puede ser isotermo (T constante), isobaro (P constante), isocoro (V constante) o adiabático (sin intercambio de calor).
- Equilibrio térmico: estado en el que dos cuerpos en contacto dejan de intercambiar calor (equilibrio térmico).
Las leyes de la termodinámica
| Ley | Enunciado |
|---|---|
| Principio cero | Si A está en equilibrio térmico con B y B con C, entonces A lo está con C. Permite definir la temperatura. |
| Primera ley | La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma: ΔU = Q − W. |
| Segunda ley | El calor fluye espontáneamente del cuerpo caliente al frío; en un sistema aislado la entropía no disminuye. |
| Tercera ley | No se puede alcanzar el cero absoluto (0 K) en un número finito de pasos; la entropía de un cristal perfecto se anula en ese límite. |
Hay un análisis más detallado en leyes de la termodinámica.
Fórmulas principales
En la convención usada aquí, Q es el calor absorbido por el sistema y W el trabajo que realiza sobre el entorno. Con la escala Kelvin, T(K) = t(°C) + 273,15.
Calor, trabajo y entropía
El calor es energía en tránsito debida a una diferencia de temperatura; el trabajo es energía transferida por una fuerza que desplaza algo, por ejemplo un gas que empuja un pistón. Ambos son formas de intercambiar energía, no propiedades que «contenga» un cuerpo. La entropía mide el grado de desorden o, de forma más rigurosa, el número de configuraciones microscópicas compatibles con un estado. Que aumente en los procesos espontáneos marca la «flecha del tiempo»: una taza de café se enfría sola, pero nunca se calienta absorbiendo calor del aire. También son útiles la entalpía y la transferencia de calor (conducción, convección y radiación).
Aplicaciones
- Motores térmicos: de vapor, de gasolina, diésel, turbinas y centrales eléctricas convierten calor en trabajo con rendimientos reales inferiores al de Carnot.
- Refrigeración y bombas de calor: invierten el ciclo para mover calor del frío al caliente aportando trabajo.
- Química e industria: predicción de si una reacción es espontánea y del calor que desprende.
- Biología: el metabolismo y el balance energético de los seres vivos.
- Meteorología y astrofísica: procesos en la atmósfera y en las estrellas.
- Climatización de edificios y diseño de materiales aislantes.
Ejercicios resueltos
1. A un gas se le suministran 500 J de calor y este realiza 200 J de trabajo sobre el entorno. ¿Cuánto varía su energía interna?
ΔU = Q − W = 500 − 200 = 300 J (aumenta)
2. Un motor térmico trabaja entre un foco caliente a 500 K y otro frío a 300 K. ¿Cuál es su rendimiento máximo?
η = 1 − 300/500 = 1 − 0,6 = 0,4, es decir, 40 %
3. ¿Qué presión ejercen 2 mol de gas ideal a 300 K en un recipiente de 0,05 m³?
P = n·R·T / V = 2 · 8,314 · 300 / 0,05 = 9,98 · 10⁴ Pa (≈ 0,985 atm)
4. Un motor absorbe 1000 J del foco caliente en cada ciclo con un rendimiento del 30 %. ¿Qué trabajo produce y cuánto calor cede al foco frío?
W = η · Q = 0,30 · 1000 = 300 J. Qfrío = 1000 − 300 = 700 J
Preguntas frecuentes
¿Qué estudia la termodinámica?
Las transformaciones de energía entre calor y trabajo y el comportamiento de sistemas macroscópicos descritos por magnitudes como temperatura, presión, volumen y entropía.
¿Cuáles son las leyes de la termodinámica?
Son cuatro: el principio cero (equilibrio térmico y temperatura), la primera (conservación de la energía), la segunda (aumento de la entropía y sentido del flujo de calor) y la tercera (inalcanzabilidad del cero absoluto).
¿Por qué ningún motor tiene un rendimiento del 100 %?
Por la segunda ley: siempre se debe ceder parte del calor a un foco frío. El máximo posible lo marca el rendimiento de Carnot, que solo sería 1 si el foco frío estuviera a 0 K.
¿Qué diferencia hay entre calor y temperatura?
La temperatura indica el estado térmico de un cuerpo (relacionado con la energía cinética media de sus partículas). El calor es la energía que se transfiere entre cuerpos por diferencia de temperatura.
¿Qué es el cero absoluto?
Es la temperatura de 0 K, equivalente a −273,15 °C. Es el límite inferior teórico de la temperatura, al que se puede uno acercar pero no alcanzar.
Referencias
- Çengel, Y. A. y Boles, M. A. Termodinámica. McGraw-Hill.
- Callen, H. B. Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics. Wiley.
- Halliday, D., Resnick, R. y Walker, J. Fundamentos de física. Wiley.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2026). «Termodinámica». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/termodinamica/
