Tercera Ley de la Termodinámica

La Tercera de las leyes de la termodinámica, propuesto por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto. No es una noción exigida por la Termodinámica clásica, así que es probablemente inapropiado tratarlo de “ley”. 

Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel cuántico. El demonio de Maxwell ejemplifica cómo puede concebirse un sistema cuántico que rompa las leyes de la Termodinámica. 

Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la energía, es la más sólida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por la ciencia

Eficiencia Térmica

Es la medida del rendimiento de una máquina térmica y se define como la relación entre el trabajo neto obtenido y el calor suministrado al fluido de trabajo

            como la suma de los calores es igual a la suma de los trabajos para un sistema que efectúa un ciclo, el trabajo neto se puede expresar como:

                                                                                     

   

                                                                

Segunda Ley de la Termodinámica

No es posible que el calor fluya desde un cuerpo frío hacia un cuerpo mas caliente, sin necesidad de producir ningún trabajo que genere este flujo. La energía no fluye espontáneamente desde un objeto a baja temperatura, hacia otro objeto a mas alta temperatura.

Definición de Kelvin-Planck

“Es imposible construir un aparato que opere ciclicamente, cuyo único efecto sea absorber calor de una fuente de temperatura  y convertirlo en una cantidad equivalente de trabajo”.

Definición de Clausius

“Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo cuyo único efecto sea transferir calor desde una fuente de baja temperatura a otra de temperatura mayor”.

Calores específicos a presión constante y a volumen constante

En una transformación a volumen constante dU=dQ=nc_VdT

En una transformación a presión constante dU=nc_PdT-pdV

La variación de energía interna dU no depende del tipo de transformación, solamente del estado inicial y del estado final, la segunda ecuación se  escribe nc_VdT=nc_PdT-pdV

Empleando la ecuación de estado de un gas ideal pV=nRT, obtenemos la relación entre los calores específicos a presión constante y a volumen constante
c_V=c_P-R

La variación de energía interna en un proceso AB es DU=nc_V(T_B-T_A)

Se denomina índice adiabático de un gas ideal al cociente

Primera Ley de la Termodinámica

El principio de conservación de la energía aplicado a un sistema de muchísimas partículas.

1. Cuando el sistema pasa del estado A al estado B, su energía interna cambia en: DU=U_B-UA
2. El sistema está en el estado A y realiza un trabajo W, expandiéndose: DU=-W
3. También podemos cambiar el estado del sistema poniéndolo en contacto térmico con otro sistema a diferente temperatura. Si fluye una cantidad de calor Q del segundo al primero, aumenta su energía interna en: DU=Q
4. Si el sistema experimenta una transformación cíclica, el cambio en la energía interna es cero, ya que se parte del estado A y se regresa al mismo estado, DU=0. Sin embargo, durante el ciclo el sistema ha efectuado un trabajo, que ha de ser proporcionado por los alrededores en forma de transferencia de calor, para preservar el principio de conservación de la energía, W=Q.

Conceptos Básicos y Calor

Denominamos estado de equilibrio de un sistema cuando las variables macroscópicas presión p, volumen V, y temperatura T, no cambian. El estado de equilibrio es dinámico en el sentido de que los constituyentes del sistema se mueven continuamente.

Ecuación de estado es la relación que existe entre las variables p, V, y T. La ecuación de estado más sencilla es la de un gas ideal pV=nRT, donde n representa el número de moles, y R la constante de los gases R=0.082 atm·l/(K mol)=8.3143 J/(K mol).

La energía interna del sistema es la suma de las energías de todas sus partículas.

El calor es el nombre dado a una transferencia de energía en el que intervienen gran número de partículas. Se denomina calor a la energía intercambiada entre un sistema y el medio que le rodea debido a los choques entre las moléculas del sistema y el exterior al mismo.
El flujo de calor es una transferencia de energía como consecuencia de las diferencias de temperatura. La energía interna es la energía que tiene una sustancia debido a su temperatura.
El calor se considera positivo cuando fluye hacia el sistema, cuando incrementa su energía interna. El calor se considera negativo cuando fluye desde el sistema, por lo que disminuye su energía interna.
Cuando una sustancia incrementa su temperatura de T_A a T_B, el calor absorbido se obtiene multiplicando la masa por el calor específico c y por la diferencia de temperatura T_B-T_A.
Q=nc(T_B-T_A)

Cuando no hay intercambio de energía (en forma de calor) entre dos sistemas, decimos que están en equilibrio térmico.