Ley cero, primera, segunda y tercera ley; energía interna
Lucas prepara un tereré bien frío y le pone un termómetro. Al rato la lectura se queda quieta. Fátima deja un café caliente sobre la mesa: se enfría solo y nunca se calienta solo. Un gas en un cilindro empuja un pistón y se enfría un poco. ¿Qué reglas generales gobiernan todo esto? Son los cuatro principios de la termodinámica. Al final de la página volvemos al café de Fátima.
Ley cero: equilibrio térmico y temperatura
Cuando dos cuerpos a distinta temperatura se tocan, el calor pasa del más caliente al más frío. Se dice que están en contacto térmico. Pasa el tiempo y llega un momento en que ya no hay intercambio neto de calor: están en equilibrio térmico, y tienen la misma temperatura.
¿Para qué sirve? Para que la temperatura tenga sentido como propiedad: los cuerpos en equilibrio térmico comparten una misma temperatura. El termómetro es el cuerpo B: se pone en equilibrio con el tereré, y su lectura nos dice la temperatura del tereré. Si el mismo termómetro marca igual en otro vaso, los dos vasos están en equilibrio entre sí aunque nunca se hayan tocado.
Lucas coloca un termómetro en un vaso de tereré recién preparado y espera hasta que la lectura deja de cambiar. Explicá qué enuncia la ley cero de la termodinámica y qué…
Lucas coloca un termómetro en un vaso de tereré recién preparado y espera hasta que la lectura deja de cambiar. Explicá qué enuncia la ley cero de la termodinámica y qué significa que el termómetro y el tereré hayan alcanzado el equilibrio térmico.
Los cuerpos A, B y C se ponen en contacto térmico de a pares. Se observa que A y B no intercambian calor entre sí, y que B y C tampoco intercambian calor entre sí. Si A…
Los cuerpos A, B y C se ponen en contacto térmico de a pares. Se observa que A y B no intercambian calor entre sí, y que B y C tampoco intercambian calor entre sí. Si A está a $25\ °\text{C}$, ¿qué podés afirmar sobre la temperatura de C y sobre el contacto entre A y C? Justificá con la ley cero y explicá por qué esta ley permite construir termómetros.
Energía interna
Un gas está formado por moléculas que se mueven y chocan. La energía interna $U$ es la suma de las energías de todas sus partículas (cinética del movimiento y energía de interacción entre ellas). Para un gas ideal depende solo de la temperatura: si $T$ sube, $U$ sube.
Distinto es el caso de $Q$ (calor) y $W$ (trabajo): no son propiedades del sistema, son energía en tránsito y dependen del proceso. Un sistema no «tiene» calor; «tiene» energía interna.
Un gas encerrado en un cilindro recibe $500\ \text{J}$ de calor y realiza un trabajo de $200\ \text{J}$ sobre el pistón. Usando la primera ley de la termodinámica,…
Un gas encerrado en un cilindro recibe $500\ \text{J}$ de calor y realiza un trabajo de $200\ \text{J}$ sobre el pistón. Usando la primera ley de la termodinámica, calculá la variación de energía interna del gas e indicá si su energía interna aumenta o disminuye.
Primera ley: conservación de la energía
La energía no se crea ni se destruye. Si a un gas le damos calor, esa energía puede quedarse como energía interna o salir como trabajo al empujar un pistón.
Convenio: aquí $W$ es el trabajo realizado por el gas. Algunos libros usan $\Delta U = Q + W$ con $W$ recibido; es lo mismo con el signo de $W$ cambiado. Nosotros usamos siempre $\Delta U = Q - W$.
Cuando el sistema recorre varias etapas, $\Delta U$ total es la suma de las $\Delta U$ de cada etapa (por ser función de estado).
Derlis agita enérgicamente, dentro de un recipiente aislado, un líquido con una paleta. La paleta realiza sobre el líquido un trabajo de $1.200\ \text{J}$ y no hay…
Derlis agita enérgicamente, dentro de un recipiente aislado, un líquido con una paleta. La paleta realiza sobre el líquido un trabajo de $1.200\ \text{J}$ y no hay intercambio de calor con el exterior. Con la primera ley y el criterio de signos, calculá la variación de energía interna del líquido. Luego explicá qué le ocurre a su temperatura y por qué el trabajo se considera negativo en este caso.
Un sistema pasa por tres etapas consecutivas. En la primera absorbe $800\ \text{J}$ de calor y realiza $300\ \text{J}$ de trabajo. En la segunda cede $200\ \text{J}$ de…
Un sistema pasa por tres etapas consecutivas. En la primera absorbe $800\ \text{J}$ de calor y realiza $300\ \text{J}$ de trabajo. En la segunda cede $200\ \text{J}$ de calor y se realiza sobre él un trabajo de $100\ \text{J}$. En la tercera no intercambia calor y realiza $150\ \text{J}$ de trabajo. Calculá la variación de energía interna en cada etapa y la variación total del proceso completo.
Segunda ley: el sentido de los procesos
La primera ley no prohíbe que el café de Fátima tome calor de la habitación y se caliente: la energía se conservaría igual. Pero eso jamás ocurre. Hace falta otro principio que diga en qué sentido ocurren los procesos.
Una máquina térmica real toma $Q_c$ de un foco caliente, convierte parte en trabajo $W$ y debe ceder $Q_f$ a un foco frío: $W = Q_c - Q_f$. Su rendimiento es $\eta = W/Qc < 1$. La heladera sí pasa calor de frío a caliente, pero necesita un motor que le entregue trabajo: no es el «único resultado».
La segunda ley se relaciona con la entropía, una medida del desorden que siempre aumenta en un sistema aislado; aquí solo la mencionamos.
Fátima deja una taza de café caliente sobre la mesa y observa que se enfría hasta quedar a la temperatura del ambiente. Nunca ve que el café se caliente solo tomando…
Fátima deja una taza de café caliente sobre la mesa y observa que se enfría hasta quedar a la temperatura del ambiente. Nunca ve que el café se caliente solo tomando calor de la habitación. ¿Qué principio de la termodinámica explica esta observación? Enunciá ese principio con tus palabras.
Mónica propone una máquina que toma $1.000\ \text{J}$ de calor de un depósito caliente y los convierte íntegramente en $1.000\ \text{J}$ de trabajo útil, funcionando en…
Mónica propone una máquina que toma $1.000\ \text{J}$ de calor de un depósito caliente y los convierte íntegramente en $1.000\ \text{J}$ de trabajo útil, funcionando en ciclos, sin ceder calor a ningún otro depósito. Analizá la propuesta con la primera y la segunda ley: ¿cumple la conservación de la energía? ¿Es posible según la segunda ley? Argumentá tu respuesta y explicá qué modificación mínima la haría físicamente viable.
Tercera ley: el cero absoluto
La temperatura más baja posible es el cero absoluto: $0\ \text{K} = -273\ °\text{C}$, con $T_K = t_{°C} + 273$.
Cada paso de enfriamiento logra bajar la temperatura, pero cada vez menos. Es como acercarse a una pared avanzando siempre la mitad de la distancia que falta: te acercás tanto como quieras, pero nunca llegás. Se han alcanzado temperaturas muy cercanas, nunca exactamente 0 K.
Un gas sufre un proceso en el que recibe $900\ \text{J}$ de calor y su energía interna aumenta $350\ \text{J}$. Después, en un segundo proceso, el mismo gas vuelve a su…
Un gas sufre un proceso en el que recibe $900\ \text{J}$ de calor y su energía interna aumenta $350\ \text{J}$. Después, en un segundo proceso, el mismo gas vuelve a su estado inicial cediendo $600\ \text{J}$ de calor. Calculá el trabajo realizado por el gas en cada proceso y el trabajo neto del ciclo. Después discutí, con la tercera ley de la termodinámica, por qué no se puede enfriar un sistema hasta el cero absoluto mediante un número finito de pasos.
Volvé al principio: el café de Fátima se enfría porque el calor fluye espontáneamente de caliente a frío hasta el equilibrio (ley cero), conservando la energía (primera ley); el proceso inverso está prohibido por la segunda ley.
Resumen
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Ley cero: si A y B, y B y C, están en equilibrio térmico, A y C también; define la temperatura y permite los termómetros.
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Energía interna $U$: función de estado; para un gas ideal depende de $T$.
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Primera ley: $\Delta U = Q - W$ ($W>0$ lo realiza el sistema). En un ciclo, $\Delta U = 0$.
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Segunda ley: el calor no pasa solo de frío a caliente (Clausius) y no se puede convertir todo el calor de un foco en trabajo (Kelvin-Planck); $\eta<1$.
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Tercera ley: el cero absoluto ($0\ \text{K}$) no se alcanza en un número finito de pasos.