Querer comprender los misterios que rigen el funcionamiento del universo es uno de los rasgos que mejor nos definen. Y, como no, dentro de esa búsqueda, entender el comportamiento de la energía es un punto clave. En ese contexto, la termodinámica se sitúa como una de las aplicaciones de la física más importantes, pues permite entender cómo la energía fluye y se transforma en los diferentes sistemas, desde aquellos más microscópicos hasta los macroscópicos.
A lo largo de los años, todo lo que sabemos sobre esta disciplina se ha ido organizando de manera estructurada alrededor de cuatro principios fundamentales que, además de representar un marco teórico muy sólido, consiguen dan una explicación a fenómenos tan diversos como la expansión de los gases, la eficiencia de las máquinas térmicas, la evolución de las estrellas e incluso los procesos biológicos que tienen lugar en el interior de nuestras células. Te contamos cuales son de forma clara.
PRINCIPIO CERO: EQUILIBRIO TÉRMICO Y TEMPERATURA
La base de la termodinámica está en el Principio Cero, el cual establece las normas para entender la temperatura en sí misma y el equilibrio térmico entre los diferentes sistemas físicos. Para comprenderlo, debes imaginar dos objetos, cada uno de ellos a diferentes temperaturas y que se ponen en contacto. Pues bien, el Principio Cero estipula que, después de un determinado tiempo, ambos objetos terminarán por alcanzar la misma temperatura y ponerse en “equilibrio térmico”, deteniéndose así el intercambio de calor entre ellos.
Este principio, obvio para cualquiera, es importante para sentar las bases que definen el concepto de temperatura. Así, aparece definida como un sistema ligado a la rapidez con la cual las partículas se mueven y chocan entre sí: partículas moviéndose a mayores velocidades e interactuando de forma más agresiva entre ellas harán aumentar la temperatura de un sistema, mientras que, a medida que se detienen y cesan los choques, la temperatura bajará.
PRIMER PRINCIPIO: CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
El primer principio es el que toma como pilar la conservación de la energía, sosteniendo que la energía total de un sistema que está aislado siempre se mantiene constante. ¿No te suena de algo esto? Pues sí, es el famoso enunciado que afirma que la energía no puede ser creada ni destruida, sino que solamente transformada de una forma a otra: la energía puede cambiar de una forma a otra, pero la suma total siempre es constante.
Este principio tiene importantes implicaciones que van desde la combustión de un combustible dentro de un motor hasta el funcionamiento de las células. En el ámbito más cotidiano podemos observar el Primer Principio cuando encendemos una bombilla: la energía eléctrica se transforma en luz y en calor, pero la cantidad total de energía se mantiene siempre constante.
SEGUNDO PRINCIPIO: AUMENTO DE LA ENTROPÍA
El segundo principio es el que introduce el concepto de entropía, el cual, en términos simples, representa el grado de desorden, caos o dispersión energética dentro de un sistema. Este principio establece que, en un sistema cerrado, la entropía siempre tiende a aumentar con el tiempo. Este concepto también es normalmente asociado con la irreversibilidad de los procesos, es decir, con el hecho de que una acción pueda ser ejecutada sin modificaciones en sentido contrario. Por ejemplo, en la rotura de un huevo es fácil ver que no se va a revertir espontáneamente, por lo que la entropía aumenta.
En la vida cotidiana, podemos pensar en una taza de café caliente colocada en una habitación que se encuentra a baja temperatura. Inicialmente el calor se concentra en la taza, pero con el tiempo, ese calor terminará por dispersarse por la habitación, tratando de encontrar ese equilibrio térmico del que hablaba en Principio Cero. Así, es un ejemplo en el cual la entropía aumenta como consecuencia de la extensión y distribución caótica que adopta la energía térmica.
TERCER PRINCIPIO: CERO ABSOLUTO
El Tercer Principio trae consigo un término muy importante dentro de la física: el cero absoluto. Este estado, aunque prácticamente inalcanzable para cualquier objeto o sistema, sería todo aquel en el cual las partículas están completamente quietas, sin experimentar ningún tipo de vibración o movimiento, y se identifica con los 0 grados Kelvin o -273 grados Celsius. Así, este principio postula que, conforme la temperatura de un sistema se acerca a ese valor de cero absoluto, la entropía del sistema tenderá a un valor mínimo y constante.
Este principio se suele ejemplificar con la imposibilidad de que un sistema alcance ese cero absoluto en la práctica. Y es que, a medida que nos acercamos a esa temperatura límite, se requeriría una cantidad infinita de energía para continuar extrayendo calor del sistema, lo cual sería completamente inviable. El Tercer Principio también adopta relacionarse con la conexión entre temperatura y desorden molecular: a medida que nos acercamos al cero absoluto, la entropía se reduce y las estructuras celulares adquieren una estructura mucho más ordenada debido a la limitada vibración y al mínimo movimiento de las partículas que lo forman.
