Leyes de la termodinámica
Las leyes de la termodinámica son cuatro principios que rigen el calor, el trabajo, la energía y la entropía en cualquier sistema físico.
Las leyes de la termodinámica son cuatro principios fundamentales (numerados de cero a tres) que describen cómo se relacionan la energía, el calor, el trabajo y la entropía en los sistemas físicos. Establecen qué transformaciones energéticas son posibles, en qué dirección ocurren espontáneamente y cuáles son sus límites, desde un motor de coche hasta una estrella.
¿Qué son las leyes de la termodinámica?
La termodinámica estudia los intercambios de energía entre un sistema y su entorno. Sus leyes no se derivan de otras: son generalizaciones basadas en la experiencia que nunca han sido contradichas. Se desarrollaron durante el siglo XIX, al calor de la Revolución Industrial y del afán por mejorar las máquinas de vapor, con aportaciones de Sadi Carnot, Rudolf Clausius, William Thomson (lord Kelvin), James Joule y Walther Nernst. La ley cero se formuló más tarde, ya en el siglo XX, pero se consideró tan básica que recibió ese número.
| Ley | Enunciado resumido | Concepto que introduce |
|---|---|---|
| Cero | Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero lo están entre sí | Temperatura |
| Primera | La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma | Energía interna |
| Segunda | En un sistema aislado la entropía no disminuye | Entropía |
| Tercera | No se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de pasos | Cero absoluto |
Ley cero: equilibrio térmico
Si el sistema A está en equilibrio térmico con C, y B también lo está con C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí. Esta propiedad transitiva es lo que permite definir la temperatura y fabricar termómetros: el termómetro (C) indica que dos cuerpos tienen la misma temperatura. Se relaciona con el concepto de equilibrio térmico.
Primera ley: conservación de la energía
La variación de la energía interna de un sistema es igual al calor que recibe menos el trabajo que realiza:
Con este convenio, Q es positivo si el sistema absorbe calor y W es positivo si el sistema realiza trabajo sobre el entorno. Todas las magnitudes se miden en julios. Esta ley implica que ninguna máquina puede producir energía de la nada: el móvil perpetuo de primera especie es imposible. Es la versión termodinámica del principio de conservación de la energía.
Segunda ley: la entropía y el sentido de los procesos
Existen dos enunciados clásicos, equivalentes entre sí:
- Clausius: el calor no fluye espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente.
- Kelvin-Planck: es imposible construir una máquina cíclica que convierta todo el calor que absorbe de un foco en trabajo.
En términos de entropía, la segunda ley dice que ΔS ≥ 0 para un sistema aislado. De ella se deduce el rendimiento máximo de una máquina térmica que opera entre dos focos de temperaturas Tc (frío) y Th (caliente), el rendimiento de Carnot:
Ningún motor real puede superarlo, y por eso todos los motores y centrales térmicas pierden una parte del calor al ambiente.
Tercera ley: el cero absoluto
Según Nernst, la entropía de una sustancia cristalina perfecta tiende a cero cuando la temperatura se aproxima al cero absoluto (0 K, equivalente a −273,15 °C). Además, es imposible alcanzar esa temperatura mediante un número finito de procesos. Los experimentos han llegado a temperaturas de nanokelvin, pero nunca a 0 K.
Aplicaciones
- Motores de combustión interna, turbinas y centrales eléctricas térmicas y nucleares.
- Frigoríficos, aires acondicionados y bombas de calor.
- Procesos químicos e industriales: predicción de si una reacción es espontánea.
- Metabolismo de los seres vivos, que intercambian energía con su entorno.
- Astrofísica: evolución de las estrellas y límites de los agujeros negros.
Ejercicios resueltos
1. Un gas absorbe 500 J de calor y realiza 200 J de trabajo. ¿Cuánto varía su energía interna?
ΔU = Q − W = 500 − 200 = 300 J (la energía interna aumenta).
2. Una máquina térmica opera entre 600 K y 300 K. ¿Cuál es su rendimiento máximo?
η = 1 − 300/600 = 1 − 0,5 = 0,5, es decir, 50 %.
3. Un motor absorbe 1000 J del foco caliente y cede 700 J al foco frío en cada ciclo. Calcula el trabajo y el rendimiento.
W = Qh − Qc = 1000 − 700 = 300 J. η = W/Qh = 300/1000 = 30 %.
¿Cuántas leyes de la termodinámica hay?
Cuatro: la ley cero (equilibrio térmico), y la primera, segunda y tercera leyes, que tratan de la conservación de la energía, la entropía y el cero absoluto.
¿Por qué se llama «ley cero»?
Porque se enunció después de las otras tres, pero se reconoció como más fundamental, ya que sustenta el concepto de temperatura. Por eso se le dio el número cero.
¿Se puede construir un motor con un rendimiento del 100 %?
No. La segunda ley lo impide: siempre se cede parte del calor a un foco frío. Además, el rendimiento de Carnot es siempre inferior al 100 % si Tc > 0 K.
¿Qué dice la primera ley en pocas palabras?
Que la energía total se conserva: solo cambia de forma o se transfiere como calor y trabajo.
¿Se puede alcanzar el cero absoluto?
Según la tercera ley, no en un número finito de pasos. Solo es posible acercarse mucho.
Referencias
- Callen, H. B. Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics. Wiley.
- Serway, R. A. y Jewett, J. W. Física para ciencias e ingeniería. Cengage Learning.
- Tipler, P. A. y Mosca, G. Física para la ciencia y la tecnología. Reverté.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2025). «Leyes de la termodinámica». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/leyes-de-la-termodinamica/
