Las leyes de la Termodinámica.

Conceptos básicos:

La termodinámica se define como la ciencia de la energía. La palabra

termodinámica proviene de los vocablos griegos thermos (calor) y dinamycs

(potencia), que describe los primeros esfuerzos por convertir el calor en potencia.

Hoy en día el mismo concepto abarca todos los aspectos de la energía y sus

transformaciones, incluidas la producción de potencia, la refrigeración y las

relaciones entre las propiedades de la materia. Fija su atención en el interior de los

sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a

cabo entre un sistema y otro.

Energía: Cuando un rayo de sol penetra a través de una ventana, una

hormiga gatea por una acera, o un auto va por la calle, hay un cambio en energía.

Cambios de energía se dan tan frecuentemente que ni siquiera nos percatamos de

ello. Sin embargo, durante miles de años el concepto de energía ha sido mal

comprendido. Las culturas antiguas asociaban el fuego con todas las formas de

energía, y el filósofo griego Heraclíto (~500 BC) explicó todo lo que pasaba en el

universo en términos de energía. En los siglos que siguieron, muchos científicos

propusieron teorías para explicar el concepto de energía, pero ninguno dio

verdaderas luces sobre el tema.

En 1686, el famoso matemático y físico Sir Isaac Newton delineó tres

axiomas (o leyes) que describen el comportamiento de los cuerpos en movimiento.

Las 'Leyes del Movimiento' de Newton fueron la primera descripción precisa de las

fuerzas que afectan los objetos que se mueven y, por consiguiente, fueron la

primera descripción precisa de la energía de los objetos que se mueven (llamada

energía mecánica). Los axiomas de Newton establecieron la base de nuestro

conocimiento de la energía y las fuerzas.

Hay muchas formas diferentes de energía: energía mecánica, energía

eléctrica, energía que proviene del calor, energía que proviene de la luz, entre

muchas otras. Cada una de estas formas de energía tienen en común la habilidad

de causar algún tipo de cambio o forma de hacer una labor. En realidad, la energía

se define como la habilidad de causar cambio o hacer una labor. Por ejemplo,

cuando un rayo de sol penetra a través de una ventana causa un cambio porque

calienta el interior de la casa. La energía 'hace una labor' dentro de una hormiga al

permitirle mover sus piernas. En un auto, la energía le permite a la máquina

trabajar al mover las ruedas. Casi siempre que algo se mueve o cambia, se usa

energía.

Trabajo: [El trabajo en termodinámica siempre representa un intercambio

de energía entre un sistema y su entorno. (Abbott y Vanness)].

[Cuando un sistema sufre una transformación, este puede provocar

cambios en su entorno. Si tales cambios implican el desplazamiento (variación) de

las fuerzas que ejerce el entorno sobre el sistema, o más precisamente sobre la

frontera entre el sistema y el entorno, entonces ha habido producción de trabajo.

Dependiendo del origen físico de las fuerzas aplicadas al sistema se distinguen

diferentes formas de trabajo realizado. (Thellier y Ripoll)].

El trabajo tiene dimensiones de energía y representa un intercambio de

energía entre el sistema y su entorno. Por convención se considera que el trabajo

realizado por el sistema es positivo y el trabajo efectuado sobre el sistema es

negativo.

Calor: El calor, al igual que el trabajo, se considera en termodinámica como

energía en tránsito a través de la frontera que separa a un sistema de su entorno.

Sin embargo, a diferencia del trabajo, la transferencia de calor se origina por una

diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno y el simple contacto es el

único requisito para que el calor sea transferido. 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 no hay intercambio de energía (en forma de calor) entre dos

sistemas, decimos que están en equilibrio térmico. Las moléculas individuales

pueden intercambiar energía, pero en promedio, la misma cantidad de energía

fluye en ambas direcciones, no habiendo intercambio neto. Para que dos sistemas

estén en equilibrio térmico deben de estar a la misma temperatura.

Primera ley de la termodinámica.

El físico alemán Julius von Mayer (1814-1878) establece la primera ley o

primer principio de la termodinámica, que afirma que el calor y el trabajo son

interconvertibles.

El primer principio es una ley de conservación de la energía y, a su vez, una

definición precisa del calor. Afirma que, como la energía no puede crearse ni

destruirse (dejando a un lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia

entre masa y energía) la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de

calor y la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema

debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo

son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí:

Calor - Trabajo = Energía Interna

Cuando un sistema se pone en contacto con otro de menor nivel energético

que él, tiene lugar un proceso de igualación de los niveles energéticos de ambos.

El primer principio de la termodinámica identifica el calor, como una forma de

energía. Puede convertirse en trabajo mecánico y almacenarse.

Se podría objetar que esta ley es una aproximación corregida por la teoría

de la relatividad; que, en lugar de la energía, lo que se conserva es la combinación

de masa y energía.

Definición matemática de la primera ley de la

termodinámica: “La variación en la energía interna de un sistema es igual a la

diferencia entre el calor tomado por el sistema y el trabajo realizado por el

sistema”. Cabe aclarar que la energía interna de un sistema, el trabajo y el calor

no son más que diferentes manifestaciones de energía. Es por eso que la energía

no se crea ni se destruye, sino que, durante un proceso solamente se transforma

en sus diversas manifestaciones.

Entropía y Segunda ley de la Termodinámica.

La palabra entropía fue utilizada por Clausius en 1850 para calificar el grado

de desorden de un sistema. R. J. Clausius también formuló un principio para la

Segunda ley: "No es posible proceso alguno cuyo único resultado sea la

transferencia de calor desde un cuerpo frío a otro más caliente"

Otra forma de expresar esta ley es: “No existe un proceso cuyo único

resultado sea la absorción de calor de una fuente y la conversión íntegra de este

calor en trabajo". Este principio (Principio de Kelvin-Planck) nació del estudio del

rendimiento de máquinas y mejoramiento tecnológico de las mismas.

En otras palabras, la segunda ley de la termodinámica dice que los

sistemas aislados tienden al desorden, es decir, a un aumento de entropía.

La entropía, el desorden y el grado de organización.

Vamos a imaginar que tenemos una caja con tres divisiones; dentro de la

caja y en cada división se encuentran tres tipos diferentes de canicas: azules,

amarillas y rojas, respectivamente. Las divisiones son movibles así que me decido

a quitar la primera de ellas, la que separa a las canicas azules de las amarillas. Lo

que estoy haciendo dentro del punto de vista de la entropía es quitar un grado o

índice de restricción a mi sistema; antes de que yo quitara la primera división, las

canicas se encontraban separadas y ordenadas en colores: en la primera división

las azules, en la segunda las amarillas y en la tercera las rojas, estaban

restringidas a un cierto orden.

Al quitar la segunda división, estoy quitando también otro grado de

restricción. Las canicas se han mezclados unas con otras de tal manera que ahora

no las puedo tener ordenas pues las barreras que les restringían han sido

quitadas.

La entropía de este sistema ha aumentado al ir quitando las restricciones

pues inicialmente había un orden establecido y al final del proceso (el proceso es

en este caso el quitar las divisiones de la caja) no existe orden alguno dentro de la

caja.

La entropía es en este caso una medida del orden (o desorden) de un

sistema o de la falta de grados de restricción; la manera de utilizarla es medirla en

nuestro sistema inicial, es decir, antes de remover alguna restricción, y volverla a

medir al final del proceso que sufrió el sistema.

Es importante señalar que la entropía no está definida como una cantidad

absoluta S (símbolo de la entropía), sino lo que se puede medir es la diferencia

entre la entropía inicial de un sistema Si y la entropía final del mismo Sf. No tiene

sentido hablar de entropía sino en términos de un cambio en las condiciones de un

sistema.

La naturaleza entrópica del proceso económico.Los sistemas biológicos y económicos no son sistemas aislados. Ambos

reciben el calor del sol. Por tanto, mientras reciban más energía que la que

emiten, los sistemas económicos y biológicos podrán reducir su entropía. En

palabras llanas, es decir, inexactas pero comprensibles de forma intuitiva,

mientras haya un sol que caliente la biomasa podrá aumentar y el producto

nacional bruto mundial podrá crecer.

Aunque la biomasa humana esté aumentando, el sistema biológico de un

individuo se desorgánica tanto que deja de vivir.

Podemos decir que un ser vivo sano, una empresa o una locomotora

funcionando correctamente tienen entropía baja. Si aumenta el desorden en los

componentes del individuo, de la empresa o de la máquina, podemos decir que su

entropía está aumentando. Hay un cierto umbral, un cierto tamaño de entropía por

encima del cual el ser vivo muere, la empresa quiebra y la máquina deja de

funcionar.

Como el ser vivo, la empresa o la locomotora no son sistemas aislados,

podemos utilizar energía proporcionada por otros sistemas para corregir el

desorden, es decir, para disminuir la entropía. Pero sabemos por experiencia que

esa posible intervención tiene un límite. Hasta ahora no conocemos ningún ser

vivo, ninguna empresa ni ninguna máquina que haya vivido o funcionado

eternamente.

Los economistas solo comenzaron a prestar atención a estos asuntos

cuando desde otros campos empezó a señalarse insistentemente la importancia

que podrían tener para los procesos económicos. Desde Quesnay la economía

política había visto las actividades económicas como un flujo circular

ininterrumpido en el que el distintos sectores producían valor materializado en

bienes y servicios, que se intercambiaban por los de otros sectores y se

consumían. La economía política había prestado atención al valor creado en los

procesos económicos y transferidos en los flujos de la economía nacional, pero

prácticamente había obviado el carácter físico, material o energético, de los bienes

y servicios en los que se materializan esos flujos. Ignorar esos aspectos había

llevado a que la economía no prestara atención a que, indefectiblemente, toda

producción de bienes es también una producción de males. Es imposible producir

sin crear residuos inservibles o basuras o sin consumir materiales y energía. En

ello radican los problemas de la contaminación y del agotamiento de los recursos

PROCESOECONÓMICO

MATERIA RESIDUALMATERIA PRIMA

ALTA ENTROPIABaja Disponibilidad

BAJA ENTROPIAAlta Disponibilidad

ENERGIA RESIDUALENERGIA

APROVECHABLE