[0:00]En qué se parecen una sopa enfriándose en tu mesa y el motor de un automóvil? Ah, seguro que ya sabes porque ya viste el título del video. Hoy hablaremos de estos principios útiles en física, ingeniería, química y biología y que explican desde el mecanismo de una gigantesca locomotora hasta la función de la microscópica mitocondria y todos los procesos donde haya intercambio de energía. Así es, lo que todas esas cosas tienen en común son las leyes de la termodinámica, una explicación sencilla.
[0:40]Por cierto, muchas gracias a Marisol del canal Pasos por Ingeniería por ayudarnos con el contenido de este video. Visita su canal, te dejamos links en la descripción. Las primeras máquinas de vapor se inventaron en el siglo XVIII y desde el principio sus inventores se preocuparon por cómo hacerlas más eficientes, es decir, cómo lograr que hicieran más trabajo con menos energía. Varios científicos enfrentaron el reto: en el siglo XIX, Sadi Carnot estableció el principio que se convertiría en la segunda ley. Luego, Rudolf Clausius y William Thomson, célebremente conocido como Lord Kelvin, enunciaron la primera y definieron la segunda e hicieron contribuciones significativas que sentaron las bases para el desarrollo de la tercera ley que definió Walther Nernst ya entrado el siglo XX. Finalmente se añadió la ley cero, que serviría de base a las demás. Así, de la mano de la Revolución Industrial surgió la disciplina de la Termodinámica. Por cierto, en griego, thermos significa caliente y dynamis fuerza, poder o capacidad. Para entender qué dicen cada una de estas leyes, primero conviene explicar qué son la temperatura, la energía térmica y el calor, que suenan parecido, pero son cosas muy diferentes. Todos los objetos están formados por átomos y moléculas, y aunque los veas ahí muy quietecitos, en realidad sus moléculas están en constante movimiento, empujándose unas a otras como niños revoltosos. Unos quizás son más revoltosos que otros, pero podemos sacar un promedio de la energía cinética que tienen las partículas. A ese promedio le llamamos temperatura y es lo que podemos medir con un termómetro. Ahora bien, si sumamos la energía de todas las partículas del objeto, obtenemos un total al que llamamos energía térmica. Entonces, dos objetos pueden tener la misma temperatura, pero si uno es más grande, tendrá más energía térmica, simplemente porque tiene más partículas en movimiento. Por último, si tocas ese objeto y tiene mayor temperatura que tú, sus partículas revoltosa empujarán a tus partículas. A esa transferencia de energía térmica la denominamos calor. Auch. La temperatura se mide en grados, como Celsius, Fahrenheit o Kelvin, la energía térmica en Joules y el calor también en Joules o calorías. Un par de definiciones más. Por sistema entenderemos una región o fragmento del universo que estamos examinando. Puede ser un objeto o una colección de objetos, su entorno es lo que lo rodea, técnicamente el resto del universo. Si el sistema permite flujo de calor hacia o desde el entorno, se dice que tiene paredes diatérmicas. Si no lo permite, sus fronteras son adiabáticas, aunque en la realidad no existen las paredes adiabáticas perfectas. Ahora sí, veamos las cuatro leyes. Ley cero: equilibrio térmico. Es el principio más fundamental. El equilibrio térmico se refiere a la igualdad de temperaturas, de manera que no hay intercambio de calor. La ley dice que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces esos dos sistemas están en equilibrio térmico entre ellos. Si el objeto A está en equilibrio con el objeto B y B está en equilibrio con C, entonces A está en equilibrio térmico con C. Quizás suene muy obvio, pero este principio hace evidente que si dos objetos están en equilibrio térmico con sendos termómetros y estos muestran la misma temperatura, los objetos estarán en equilibrio térmico entre ellos, aunque no estén en contacto. Esto establece a la temperatura como el indicador de equilibrio térmico, lo que posibilita todas las mediciones y obtención de datos que se hacen en un laboratorio de termodinámica. Primera ley: conservación de la energía. A partir del principio de que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma, se deduce que la energía térmica puede transformarse en otras formas de energía y viceversa, y por lo tanto, producir trabajo. Imagina el cilindro de la máquina de vapor más básica. Al introducirle energía térmica, el agua se transforma en vapor y ocupa un volumen mayor, lo que hace que se mueva el pistón. El calor ha producido trabajo. Este trabajo se puede utilizar para desplazar cargas como lo que hace una locomotora, por ejemplo. Si representamos la transferencia de calor con la letra Q, la energía interna con U y el trabajo con W, tenemos que delta Q es igual a delta U más delta W, o sea que el calor transferido es igual al cambio de la energía interna más el trabajo realizado. O lo que es lo mismo, el cambio en la energía interna es igual al calor que se transfirió hacia o desde el sistema, menos la energía que requirió el trabajo realizado. Todo medido en la misma unidad, por ejemplo, Joules. Dato importante: si el calor es absorbido por el sistema, Q será positiva, y si realiza trabajo, W es positivo. Si en cambio, el trabajo se realiza sobre el sistema, W será negativo, y si el sistema pierde calor, Q será negativa. Si en el sistema el volumen permanece constante, pero la temperatura y la presión cambian, se dice que el proceso es isovolumétrico y no produce ni recibe trabajo. Un calorímetro funciona de manera isovolumétrica. Si lo que se mantiene constante es la temperatura y lo que cambia es el volumen y la presión, o sea, todo el calor se convierte en trabajo, el proceso es isotérmico. Un motor ideal sería isotérmico. Y si la presión permanece constante, pero la temperatura y el volumen cambian, el proceso es isobárico. Un calentador de agua aplica un proceso isobárico. Segunda ley: entropía. Ninguna máquina o sistema puede tener un 100% de eficiencia, o sea, no es posible convertir toda la energía en trabajo, porque parte de la energía se convierte en sonido y la fricción vuelve a convertir la energía cinética en calor, lo que hace que el sistema pierda energía hacia el entorno. La entropía se puede entender como el desorden y representa esta inevitable pérdida de la capacidad de convertir calor en trabajo. Otra manera de expresarlo es: el calor siempre fluye de las regiones de mayor temperatura hacia las de menor temperatura y nunca al revés. Un plato de sopa caliente se enfriará si se deja a temperatura ambiente, calentando levemente sus alrededores. Aunque haga calor, la energía nunca pasará del aire a la sopa si la sopa está más caliente, y el agua de un vaso le pasará su calor al cubo de hielo en su interior, calentando el hielo y enfriándose ella, y no al revés. De la misma manera en que una gota de tinta se dispersa en el agua y es prácticamente imposible que vuelva a juntarse toda en el mismo punto. Un sistema puede disminuir la entropía a nivel local, pero siempre a costa de aumentar la entropía en su entorno. Un ser vivo crea orden en su cuerpo, aumentando el desorden a su alrededor, lo que significa que la entropía siempre aumentará en el universo como totalidad. La entropía es una idea compleja. Si quieres saber más sobre ella, hace tiempo hicimos un video explicando este concepto y si puede significar la destrucción del universo. Corre a verlo. Bueno, primero termina este. Tercera ley: el cero absoluto. Recuerdas que imaginamos a los átomos y moléculas como chiquillos revoltosos, pues la tercera ley estipula que literalmente no se pueden quedar quietos. Cuando baja la temperatura de un sistema, la energía, el movimiento de las moléculas también baja. Si se quedaran completamente quietas, diríamos que alcanzan el cero absoluto, cero energía. Pero el cero absoluto solo existe en la teoría, en la práctica el movimiento nunca se detiene. La tercera ley dice: es imposible bajar la temperatura de cualquier sistema a cero absoluto en un número finito de pasos. Por eso se dice que el cero absoluto es teórico, porque teóricamente se podría lograr con una cantidad infinita de procesos. En el mundo físico, las cosas más frías que te puedes imaginar todavía se mueven bastante. En el espacio existe la Nebulosa de Bumerang que está a más o menos 272 grados Celsius bajo cero, lo que equivale a un Kelvin. En laboratorios se ha logrado enfriar sustancias a fracciones de grados Kelvin por apenas unos segundos, pero nunca se ha logrado el cero absoluto. Esta es otra forma de enunciar la ley: la entropía de una sustancia cristalina a temperatura cero absoluto sería igual a cero. Y como no puede haber materia sin energía, esto es imposible. Oh, no. Las leyes de la termodinámica son esenciales no solo para nuestra comprensión del mundo, sino también para muchas aplicaciones tecnológicas. Todo tipo de motores y generadores de energía eléctrica las aplican, incluyendo los nucleares o los de energías renovables, y también los sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Además son útiles para entender a nivel físico la conversión de energía lumínica en energía química que realizan las plantas. O la producción de energía en las células animales que realizan las mitocondrias. Incluso tienen implicaciones filosóficas relacionadas con el origen y el destino del universo. Curiosamente, muchas gracias de nuevo a Marisol Maldonado de Pasos por Ingeniería por revisar la información de este video. Si quieres aprender las fórmulas matemáticas de las leyes de la termodinámica, te dejamos aquí links a sus videos donde las explica de manera sencilla y clara. Y si te gusta nuestro canal, suscríbete y comparte este video. 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