Qué es la termodinámica ?

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La termodinámica es una de las ramas del quehacer científico que comparten la física y la química. En su sentido literal la palabra quiere decir “calor en movimiento” y tradicionalmente decimos que es el estudio de los procesos energéticos en sistemas térmicos: máquinas y reacciones químicas. Es difícil explicarlo de manera sencilla pero podemos decir que cuando comunicamos un sistema cerrado a una temperatura con otro que se encuentra a otra temperatura se produce un intercambio de materia y energía entre ambos sistemas.

Ese intercambio de energía y materia es su objeto de estudio. Hay varias áreas que abarca: la primera y más importante es la que explica las tres leyes de la termodinámica, la otra es la termometría, la que estudia los sistemas y el ambiente, la que estudia el equilibrio térmico de un sistema y la estudia las máquinas térmicas y su rendimiento energético. Todas se relacionan estrechamente con las leyes por eso las explico: la primera ley es el equivalente de la ley de la conservación de la energía: dice que la energía de un sistema equivale a la energía que el sistema absorbe menos el trabajo realizado por el sistema, en otras palabra si aplicamos calor y el sistema realiza un trabajo, entonces la energía del sistema es la diferencia entre ambos.

La segunda ley nos dice que es imposible que un sistema transforme toda la energía que recibe en trabajo. Es decir el sistema se deja siempre algo de energía. Esta ley es fundamental pues es lo que impide que el tiempo pueda retroceder, que podamos recoger todo un reguero de agua o que podamos regenerar el papel quemado. Esa energía que el sistema se deja se denomina entropía y podemos decir que en otros términos la segunda ley: la entropía en el universo nunca disminuye solo aumenta, para que el tiempo corriese hacia atrás la entropía debería disminuir.

La tercera ley de la termodinámica dice que es imposible alcanzar el cero absoluto utilizando proceso cíclicos físicos. En teoría quiere decir que las partículas en movimiento que generan la temperatura nunca pueden estar quietas (recordemos que la temperatura se debe al movimiento de las partículas que forman los objetos). Existe una pequeña objeción expuesta por Maxwell que se conoce como al paradoja de Maxwell o el demonio de Maxwell. Según esta objeción una máquina infinitamente pequeña puede separar las moléculas calientes de un sistema de las moléculas frías de otro. Esto disminuiría en teoría la entropía. La paradoja se resuelve porque la máquina necesita energía para hacer la selección.

Sin embargo hay sistemas dinámicos donde la entropía parece disminuir, como ocurre con los sistemas biológicos donde las enzimas logran que ocurran ciertas reacciones que no serían posibles sin su intervención (las enzimas se comportan como el demonio de Maxwell) pero en realidad al disminuir la entropía de sistemas biológicos se aumenta la entropía en otros sistemas. En realidad la paradoja de Maxwell en la termodinámica no es cierta.

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