Termodinámica: Importancia y leyes

Entre las ramas del conocimiento más utilizadas dentro de la ingeniería química se encuentra la termodinámica, una ciencia que se encarga de dar respuesta a la búsqueda de propiedades de sustancias que son utilizadas en casi todos los procesos químicos e industriales.

Las turbinas utilizan los principios básicos de la termodinámica para funcionar

En esta nota vamos a describir la importancia de la termodinámica y conocer las leyes que la rigen. Por donde se le mire, una de las asignaturas más importantes para cualquier ingeniero químico o estudiante de ingeniería química.

Tabla de contenidos

1. ✔ ¿Qué es la energía?
2. ✔ Diferentes tipos de energía
3. ✔ Definición de termodinámica
4. ✔ Importancia de la termodinámica
5. ✔ Leyes de la termodinámica
1. ✔ Primera ley de la termodinámica
2. ✔ Segunda ley de la termodinámica
6. ✔ Leyes complementarias de la termodinámica
1. ✔ Ley cero de la termodinámica
2. ✔ Tercera ley de la termodinámica
7. ✔ Resumen

¿Qué es la energía?

Lo primero a tomar en cuenta antes de identificar la importancia de la termodinámica, es definirla. Para ello, hay que estudiar un poco la historia y volver a los conceptos básicos de ciencia de nuestra época escolar, como qué es la energía. 

Iniciemos remontándonos a la primera Revolución Industrial, cuando aparecieron por primera vez las máquinas de vapor y de combustión interna, así como todo tipo de máquinas para facilitar la vida del hombre. Estas máquinas requerían de un combustible para funcionar. Principalmente se utilizaba vapor, carbón y madera, ya que estos materiales generaban las condiciones para operación de las máquinas y les permitían funcionar, acuñándose entonces el término “energía” asignado a estos elementos o materiales.

Este término se refería a la habilidad para realizar un trabajo. Dicho de una manera un poco más simple, la energía es la capacidad que tiene un material, sustancia o elemento para realizar grandes cantidades de trabajo. 

Podemos decir entonces que si algo cuenta con la suficiente cantidad de energía almacenada dentro de sí, puede realizar una gran cantidad de trabajo.

Diferentes tipos de energía

La energía se presenta en la naturaleza de diferentes maneras. La podemos encontrar principalmente como:

• Energía potencial: Es una energía mecánica asociada a la ubicación en un sistema de referencia de un elemento o cuerpo que se encuentra dentro del área de influencia de una fuerza, o que cuenta con una fuerza interna (como la energía elástica)

• Energía cinética: Es la energía asociada a un cuerpo que está en movimiento.

• Energía química: Es la energía asociada a un elemento o cuerpo que es liberada o absorbida por acción de una reacción química.

También podemos encontrar a la energía eléctrica, que viene dada por la diferencia de potencial entre dos puntos y la energía radiante, que es la energía que poseen las ondas electromagnéticas, entre otros tipos de energía que variarán según el área de estudio en la cual nos encontremos investigando.

Definición de termodinámica

Los sistemas cilindro-pistón son ejemplos clásicos de los fundamentos de la termodinámica

Ahora que conocemos qué es la energía, podemos definir de manera intuitiva qué es la termodinámica. Podemos decir que se trata del área de la ciencia que se encarga de estudiar a la energía en todas sus formas. Volviendo al estudio de la historia podemos entonces imaginar cómo los ingenieros de la época de la Revolución Industrial utilizaron el conocimiento de la termodinámica para estudiar cuánta energía había en el carbón, la madera y el vapor a diferentes presiones, lo que les permitiría hacer funcionar aquellas máquinas.

Sin embargo, la termodinámica va mucho más allá de estudiar la energía utilizada para mover máquinas, ya que se extiende al estudio global de la energía, la cual se encuentra en los alimentos, en los seres vivos e incluso en los cuerpos celestes.

En la ingeniería química, la termodinámica se utiliza fundamentalmente para describir procesos de transferencia de calor que permiten realizar trabajo sin importar el estado físico de las sustancias o materiales que se estén estudiando. A grandes rasgos, la termodinámica se utiliza para estudiar la materia y cómo ésta reacciona ante cambios de magnitudes extensivas, como el volumen, la presión y la temperatura, también llamadas variables termodinámicas.

Importancia de la termodinámica

Con el concepto de termodinámica claro podemos intuir rápidamente la importancia que ésta tiene para la vida cotidiana y para hacer que las cosas funcionen. Un antiguo dicho de la Organización de Ingenieros Civiles de Inglaterra que se formó durante la Revolución Industrial lo deja muy claro: 

… Hacer trabajar los poderes y fuerzas de la naturaleza en beneficio de la humanidad…

Los principios de la termodinámica hacen trabajar las plantas de energía

De modo que la termodinámica es importantísima en el estudio y ejecución de la ingeniería, ya que permite modificar las fuerzas de la naturaleza y nuestro entorno en beneficio nuestro, permitiendo transformar la energía a una que podamos utilizar directamente, o para hacer que las máquinas funcionen y realicen trabajos que requieren gran inversión de recursos humanos.

La termodinámica es básica para predecir propiedades de sustancias y mezclas de sustancias, lo que permite al ingeniero químico realizar procesos industriales y sacar beneficio de las materias primas, creando de esta manera productos que serán utilizados y consumidos por la población.

En una experiencia personal hace muchos años atrás, cuando aún era estudiante de ingeniería química en el campus de la Universidad de Carabobo, un profesor de procesos petroquímicos, el Ing. Abdul Gazzan, nos comentaba en clases que la columna vertebral de la ingeniería química son los fenómenos de transporte, pero lo que realmente le da sentido al estudio de los fenómenos de transporte es la termodinámica. Utilizando una analogía gastronómica para explicarlo, decía que los fenómenos de transporte son por ejemplo un platillo suculento, pero la termodinámica son las especies que le dan su delicioso sabor. Así de importante es la termodinámica para la ingeniería química.

Podemos concluir entonces que la termodinámica es sumamente importante para el estilo de vida actual de la especie humana, ya que permite estudiar cómo crear productos u obtener energía o trabajo basados en materias primas y sus propiedades, mediante la modificación de magnitudes como la presión y la temperatura. Así como también, el estudio y el aprovechamiento de la energía de las fuerzas de la naturaleza o la energía almacenada dentro de ciertos elementos, materiales o sustancias químicas, ayudando de este modo al ingeniero químico a aprovechar las propiedades termodinámicas de los elementos para optimizar su uso al máximo.

Leyes de la termodinámica

La termodinámica clásica se rige por dos grandes leyes que permiten su estudio. Una vez que el ingeniero o estudiante de ingeniería domina estas leyes, es capaz de utilizar estos conceptos para realizar cualquier tipo de estudio o modificar procesos. Estas Leyes son las siguientes:

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica o ley de la conservación de la energía como también se le conoce, en términos generales nos dice que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Sin embargo, esto va más allá, ya que establece que si efectuamos un trabajo sobre un sistema, o bien realizamos un intercambio de calor con otro sistema, la energía cambiará.

Visto de otra manera, esta ley define al calor como la cantidad de energía que se debe intercambiar entre sistemas para compensar la cantidad de trabajo y la energía interna que se perdió en el proceso de intercambio de energía.

Podemos decir entonces, que la primera ley de la termodinámica trata sobre el intercambio de energía, o cuánto un tipo de energía es equivalente a otro tipo de energía. Es decir, cuánta cantidad de energía hay en un elemento o sustancia que es capaz de convertirse en otro tipo de energía.

La ecuación general de la conservación de la energía es:

Eentra - Esale = ∆Esistema

Donde:

• Eentra: Energía que entra

• Esale: Energía que sale

• ∆E: Variación de energía del sistema

Llevando esta ecuación a términos termodinámicos, tendríamos:

∆U = Q - W

Donde:

• ∆U: Variación de la energía interna de un sistema aislado

• Q: Cantidad de calor intercambiado por el sistema

• W: Cantidad de trabajo realizado por el sistema

Segunda ley de la termodinámica

El intercambio de calor es vital en la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica también conocida como ley de irreversibilidad de los fenómenos físicos nos dice que los procesos no son reversibles, sobre todo, si se encuentran expuestos a un intercambio de calor. Además, la segunda ley de la termodinámica introduce el estado de desorden molecular llamado entropía, la cual es identificada por el símbolo “S”.

Según esta segunda ley, la entropía tiende a crecer con el tiempo. Es decir, si un sistema está en un primer estado de equilibrio y es alterado por el cambio de una variable termodinámica, llega a un segundo punto de equilibrio, en donde la entropía se ha incrementado.

Dicho en otras palabras, la segunda ley de la termodinámica nos permite comprender como cierta parte de la energía interna de una sustancia o elemento se transforma en otra, es decir, no todo se transforma para ser aprovechado como trabajo. Esto lo conocemos gracias a los trabajos y estudios de Sadi Carnot.

Entonces, podemos decir que ningún proceso cíclico puede regresar al mismo estado del que partió, tomando en cuenta el principio de la segunda ley de la termodinámica. Esto nos indica que el grado de entropía se eleva a medida que transcurre el tiempo y que los estados de equilibrio cambian de la mano con las propiedades de las sustancias o sistemas que experimentan el cambio de equilibrio.

La segunda ley de la termodinámica nos enseña lo siguiente:

• Qué cambios son posibles y cuáles no, según el estado de equilibrio del sistema estudiado.

• No existen máquinas de movimiento perpetuo, ya que no toda la energía se transforma y la entropía crece.

• Explica el paso del tiempo.

La segunda ley de la termodinámica se puede expresar matemáticamente de la siguiente manera:

(dS / dt) ≥ 0

Donde:

• dS: Variación de la entropía
• dt: Variación del tiempo

Indicando que el cambio de entropía en un sistema en estudio a través del tiempo siempre es mayor a cero, es decir, es creciente a menos que el sistema se encuentre en equilibrio, lo cual llevaría a su expresión máxima que es igual a cero.

Cuando la primera ley de la termodinámica y la segunda ley se combinan entre sí, se llega a relaciones matemáticas que permiten explicar cuánto trabajo se encuentra en una situación dada, lo que se conoce como disponibilidad de energía.

Leyes complementarias de la termodinámica

En la actualidad, podemos encontrar un par de leyes que no forman parte de las leyes de la termodinámica clásica, pero las complementan y son ampliamente utilizadas para poder explicar ciertos fenómenos y realizar los estudios a los sistemas. Se trata de las siguientes leyes:

Ley cero de la termodinámica

También conocida como ley fenomenológica. Nos dice que los sistemas se encuentran inicialmente en un estado de equilibrio térmico. Fue formulada para un sistema en estudio por lo tanto no es una ley termodinámica como tal, pero explica que a condiciones específicas de temperatura un sistema no experimenta intercambio de energía.

Sin embargo, al entrar en contacto con un segundo sistema con condiciones de temperatura diferentes, se iniciará un intercambio de energía (calor) desde el sistema con mayor temperatura hacia al sistema de menor temperatura, el cual finalizará hasta que las temperaturas en ambos sistemas sean iguales y vuelva a un equilibrio térmico.

Tercera ley de la termodinámica

Conocida como Teorema de Nernst, nos dice que en una sustancia pura en estado sólido cristalino al estar expuesta al cero absoluto (-273,13 grados centígrados) la entropía será cero. Es decir, que al llegar a esta temperatura en procesos por etapas toda interacción molecular cesa, deteniendo el sistema físico.

En este punto, la entropía llega a su valor mínimo. Esta ley complementa a la segunda ley de la termodinámica, por lo tanto, en estudios clásicos no se considera como una ley sino más bien como un postulado, ya que indica que para que la entropía sea cero en un sistema se debe llegar a las condiciones de cero absoluto.

Resumen

Resumiendo, podemos decir que la termodinámica es el área de la ciencia que estudia la energía y cómo aprovecharla, es por ello que tiene una importancia vital para la ingeniería en todas sus ramas. En especial, para la ingeniería química y la ingeniería mecánica, ya que aprovechan sus conceptos y leyes para obtener beneficios de los sistemas en estudio o de la naturaleza.

Como habrán podido notar son conceptos muy simples, pero que dejan claro la importancia de esta interesante área de estudio. En próximas notas o publicaciones, nos extenderemos más sobre la termodinámica, sus leyes de manera individual y diferentes aplicaciones de éstas, como por ejemplo el Ciclo de Carnot. Los invito a comentar la nota para establecer intercambio de ideas y complementar conceptos.


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