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Termodinámica

Termodinámica

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Arena y naranja

Tal y como describe la ciencia de la termodinámica, un conjunto de cuatro leyes rigen la relación del calor y la temperatura con la energía y el trabajo. Estas leyes describen las interacciones energéticas de los sistemas físicos con su entorno. La ley número cero de la termodinámica explica que si dos sistemas aislados separados están en equilibrio con un tercer sistema aislado, entonces los dos primeros sistemas también están en equilibrio entre sí. La primera ley de la termodinámica está relacionada con la ley de la conservación de la energía y explica que la energía puede intercambiarse entre un sistema y su entorno como flujo de calor o trabajo. La relación entre la energía, el calor y el trabajo se representa matemáticamente con la ecuación: ΔU = w + q, donde el cambio de energía interna del sistema se representa con ΔU. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía (espontaneidad) de un sistema aislado aumentará con el tiempo. Esta ley explica por qué el calor viaja de los objetos más calientes a los más fríos. La tercera ley de la termodinámica establece que para que un sistema realice trabajo, la entropía tiene que aumentar. En consecuencia, a medida que la temperatura de una sustancia se acerca al cero absoluto, la entropía disminuirá hasta alcanzar un valor mínimo constante.

Conservación de la Energía

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Arena y naranja

La vida es, por supuesto, mucho más que simplemente ganar y usar energía, ya que la vida debe usar la energía cuando y donde la necesite para ayudar al organismo a ajustarse a un entorno en continuo cambio. La conservación de la energía es un principio fundamental de la física es que la energía no puede crearse ni destruirse, aunque sí puede convertirse de una forma a otra. La suma de todas las formas de energía permanece constante en cualquier sistema aislado o cerrado. Las leyes del movimiento de Newton garantizan que la energía de un sistema total no cambia por colisiones u otras interacciones de las partes del sistema.

Calor

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La transferencia de calor se produce entre dos objetos debido a una diferencia de temperatura entre ellos. Los objetos pueden ser sólidos, líquidos, gases o sistemas de estas sustancias. La transferencia de calor siempre se produce desde el objeto o sistema de mayor temperatura hacia el objeto o sistema de menor temperatura. Un objeto o sistema no “posee” calor. La transferencia de calor es una forma de transferencia de energía que se produce debido al estado del sistema en relación con su entorno. La transferencia de calor difiere de la transferencia de trabajo. Hay muchas formas de transferencia de trabajo (por ejemplo, trabajo de compresión y expansión), mientras que la transferencia de calor sólo se produce debido a un gradiente de temperatura. La transferencia de calor es un proceso que implica a más de un sistema, no una propiedad de un único sistema. En termodinámica, la energía transferida en forma de calor contribuye al cambio en la función de estado de la energía interna o entalpía del sistema. Esto debe distinguirse de la concepción del lenguaje ordinario del calor como una propiedad de un sistema aislado. La cantidad de energía transferida como calor en un proceso es la cantidad de energía transferida excluyendo cualquier trabajo termodinámico realizado y cualquier energía contenida en el material transferido. Para tener una definición exacta de calor, éste debe producirse a través de una vía que no incluya la transferencia de materia. El calor es una forma de energía interna asociada al movimiento aleatorio de los componentes moleculares de la materia o a la radiación. La temperatura es un promedio de una parte de la energía interna presente en un cuerpo (no incluye la energía de enlace molecular ni de rotación molecular). La conducción de calor es el flujo de energía térmica a través de una sustancia desde una región de mayor temperatura a otra de menor temperatura, que se produce por interacciones atómicas o moleculares. Junto con la convección y la radiación, la conducción es uno de los tres métodos básicos de transferencia de calor. La conducción en estado estacionario se produce cuando la temperatura en todos los lugares de una sustancia es constante con el tiempo. La conductividad térmica es una propiedad importante de la materia. Representa la capacidad de conducción de calor de una sustancia y depende tanto de la sustancia en cuestión como del estado de la misma. Los dos tipos de flujo de calor que no son estables son la conducción periódica y la conducción transitoria. Hay tres formas de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.

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