La termodinámica y su importancia en nuestras vidas diarias

La termodinámica es increíblemente importante para la humanidad. Es la base de muchas de las tecnologías que usamos en nuestras vidas diarias, como los motores de combustión interna, los generadores de electricidad y los sistemas de refrigeración. Además, la termodinámica es clave para entender cómo funcionan los procesos naturales, como la fotosíntesis y la respiración celular.

Por otro lado, la termodinámica también tiene implicaciones para algunos de los mayores desafíos que enfrenta la humanidad, incluyendo la crisis climática y la escasez de energía.

Para qué es importante conocerlas?

Las leyes de la termodinámica son importantes porque forman la base de nuestro entendimiento del comportamiento de la energía y de los sistemas térmicos. Conocer estas leyes es crucial para muchas disciplinas científicas y tecnológicas:

• Física: son fundamentales en la física, ya que ayudan a explicar el comportamiento de sistemas físicos, incluyendo los sistemas térmicos.
• Ingeniería: son esenciales para muchos tipos de ingeniería, incluyendo la ingeniería mecánica, eléctrica y química, ya que ayudan a diseñar sistemas y productos más eficientes y duraderos.
• Química: son importantes en la química, ya que ayudan a entender los procesos químicos y a predecir el resultado de reacciones químicas.
• Biología: también tienen aplicaciones en la biología, ya que ayudan a explicar procesos biológicos como la respiración celular y la fotosíntesis.

Las cuatro leyes de la termodinámica

En el libro The Laws of Thermodynamics de Peter Atkins se exploran brevemente las cuatro leyes fundamentales de la termodinámica, que son:

1. La primera ley de la termodinámica, que afirma que la energía no puede ser creada ni destruida, sino sólo transferida o transformada.
2. La segunda ley de la termodinámica, que afirma que la entropía de un sistema aislado siempre aumenta, lo cual implica que la energía se difumina y se vuelve menos útil.
3. La tercera ley de la termodinámica, que afirma que la temperatura absoluta de cero Kelvin es imposible de alcanzar.
4. La cuarta ley de la termodinámica, que relaciona la entropía con la información

La termodinámica y la Exploración Espacial

La termodinámica y la exploración espacial están estrechamente relacionadas, ya que la termodinámica ayuda a explicar los procesos físicos básicos que gobiernan los viajes espaciales. Algunas de las conexiones principales entre la termodinámica y la exploración espacial incluyen:

• Propulsión: La termodinámica ayuda a entender cómo se comporta la energía en los motores de propulsión espacial, incluyendo motores de cohetes y motores de iones.
• Refrigeración: La termodinámica ayuda a diseñar sistemas de refrigeración para mantener a los astronautas y los equipos en una temperatura adecuada en el espacio.
• Eficiencia: La termodinámica ayuda a maximizar la eficiencia de los sistemas espaciales, reduciendo el consumo de energía y aumentando la duración de las misiones.
• Sostenibilidad: La termodinámica ayuda a entender cómo minimizar el impacto ambiental de la exploración espacial, incluyendo la reducción de la huella de carbono.

Principales ideas de The Laws of Thermodynamics

• Si dos sistemas están en equilibrio mecánico, entonces un tercer sistema en equilibrio con uno también lo estará con el otro.
• La ley cero trata del equilibrio térmico y nos permite introducir el concepto de temperatura.
• La distribución de Boltzmann nos dice cómo se distribuyen los átomos en los niveles de energía dada una determinada temperatura.
• La primera ley de la termodinámica establece que la energía interna de un sistema aislado permanece constante si no se realiza ningún trabajo sobre él.
• Parte del calor se pierde hacia el entorno al convertirse en trabajo, y se debe realizar trabajo para transferir calor de un objeto frío a uno más caliente.
• La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía del universo aumenta durante los cambios espontáneos.
• La segunda ley explica la forma en que funcionan los sumideros de frío y la dirección de las transferencias de calor.
• La entropía es una medida de la probabilidad de determinar el estado energético ocupado por una molécula.
• La entalpía, la energía de Helmholtz y la energía de Gibbs son herramientas de contabilidad útiles en termodinámica.
• La tercera ley de la termodinámica establece que las sustancias cristalinas en el cero absoluto tienen entropía cero.

Si dos sistemas están en equilibrio mecánico, entonces un tercer sistema en equilibrio con uno también lo estará con el otro.

La termodinámica se ocupa de los sistemas. Lo que queremos decir con esto es: cualquier cosa que tenga límites. Un bloque de acero es un sistema. Un motor de combustión y el cuerpo humano también son sistemas.

Más allá de esos límites, encontramos el entorno del sistema. Podría ser un baño de agua fría en un laboratorio o la atmósfera alrededor de un sistema. Juntos, un sistema y su entorno forman el universo.

Los sistemas pueden tomar diferentes formas. Esto depende de la naturaleza de sus límites. Imagínese un matraz sin tapa. Ese es un «sistema abierto». Abre la tapa del mismo matraz y tendrás un «sistema cerrado». Luego están los «sistemas aislados». Estos no se ven afectados en absoluto por su entorno. Un matraz de vacío es una buena aproximación a dicho sistema.

Bien, ahora que hemos definido nuestros términos, analicemos el primer concepto que necesitaremos comprender para comprender la termodinámica: el equilibrio mecánico.

Imagínese dos cilindros de metal uno al lado del otro. Ambos están completamente sellados excepto por un tubo horizontal que los une como una pasarela entre dos edificios. Este tubo contiene dos pistones unidos por una varilla rígida.

Los pistones mueven este vástago hacia adelante y hacia atrás según la presión en sus respectivos cilindros. Si la presión es mayor en el lado derecho que en el izquierdo, el pistón derecho empuja la varilla hacia el cilindro izquierdo y viceversa. Esto es como un tira y afloja, pero en lugar de tirar, se empuja.

Si los pistones no se mueven, podemos inferir que la presión en ambos sistemas cilíndricos es igual. En este caso decimos que están en equilibrio mecánico.

En esta etapa podemos darles nombres a nuestros dos sistemas de cilindros existentes (los llamaremos “A” y “B”) antes de agregar un tercero, “C”, y ver qué sucede.

El cilindro C está conectado a A con otro tubo que contiene pistones móviles. Digamos que estos pistones no se mueven y no hay tira y afloja entre A y C. Ahora podemos concluir que la presión en ambos sistemas es la misma y que A y C están en equilibrio mecánico.

Pero ¿qué sucede si separamos C de A y lo conectamos a B? En una palabra, nada. Aquí tampoco habrá tira y afloja. Si C y A y A y B están en equilibrio mecánico, entonces C y B también estarán en equilibrio mecánico.

¿Porque es esto importante? Vamos a averiguar…

La ley cero trata del equilibrio térmico y nos permite introducir el concepto de temperatura.

Ahora que nos hemos enfrentado al equilibrio mecánico, es hora de desentrañar la primera ley de la termodinámica: la ley cero o, como la llaman los físicos, la ley cero.

Avanzaremos de la misma manera que lo hicimos en el apartado anterior, es decir, sin asumir nada. Antes de que podamos hablar de temperatura o calor, primero debemos mostrar nuestro funcionamiento. Para ello, comenzaremos introduciendo un nuevo concepto: equilibrio térmico.

Piense en nuestros cilindros, A y B. Ahora vamos a modificarlos un poco. En lugar de estar unidos por un tubo que contiene pistones móviles, simplemente los colocaremos uno al lado del otro de modo que sus lados se toquen. ¿Qué pasará después?

Bueno, dado que se trata de dos sistemas distintos, podríamos esperar que se produzcan algunos cambios ya que se influyen mutuamente. Podría haber, por ejemplo, un cambio de presión o de color. Por el contrario, si no hay cambio, podemos concluir que los cilindros A y B están en equilibrio térmico.

Introduzcamos un tercer cilindro, C. Colocaremos C de manera que entre en contacto primero con A y luego con B. Si no ocurre ningún cambio en la primera instancia, también sabemos que no sucederá nada en la segunda instancia. Dicho de otra manera, si A y B y A y C están en equilibrio térmico, entonces B y C también estarán en equilibrio térmico.

Esta es la ley cero de la termodinámica. En este punto podemos hablar de temperatura. Esto a su vez nos permitirá resumir la ley cero.

En un primer momento, analizamos el equilibrio mecánico y utilizamos el concepto de presión para mostrar cómo funciona. Concluimos que una presión igual significa equilibrio mecánico.

La ley cero nos permite inferir que debe existir una propiedad similar que determine el equilibrio térmico. Aún no sabemos cómo funciona esta propiedad, pero podemos darle un nombre: temperatura. Esto a su vez nos da nuestro resumen de la ley cero. Dice que si A y B tienen la misma temperatura y B y C tienen la misma temperatura, entonces A y C también tendrán la misma temperatura.

La distribución de Boltzmann nos dice cómo se distribuyen los átomos en los niveles de energía dada una determinada temperatura.

Hasta ahora hemos visto los pistones y cilindros desde el exterior, pero ¿qué sucede dentro de estos sistemas? Para responder a esa pregunta, necesitamos acercarnos al nivel atómico. Sin embargo, en este momento no hablaremos de átomos individuales: exploraremos grupos de átomos.

Un acercamiento así nos lleva más allá de la termodinámica clásica, un campo de la física establecido en el siglo XIX, una época antes de que la existencia de los átomos fuera ampliamente aceptada. En cambio, nos ocuparemos de la termodinámica estadística. Este enfoque surgió más tarde y se ocupa de las probabilidades de ciertos comportamientos cuando se observan muchos átomos simultáneamente.

Asique como haces eso? Ahí es donde entra en juego algo llamado distribución de Boltzmann. La distribución de Boltzmann se refiere a la distribución precisa de los átomos en sus «estados permitidos». Analicemos eso.

Cada átomo tiene una energía definida, pero esta energía está confinada a un conjunto de estados energéticos discretos. Cada uno de estos estados tiene más o menos energía; no puede haber nada intermedio. Puedes ver cómo funciona esto si te imaginas las pelotas ordenadas en el almacén del gimnasio de una escuela. Las bolas están en los estantes o en el piso, y no hay bolas flotando entre dos estantes, ni entre el estante más bajo y el piso.

La distribución de Boltzmann esencialmente nos dice dónde estarán las “bolas” atómicas. Según la distribución de Boltzmann, todos los grupos de átomos se distribuyen exponencialmente en sus estados disponibles. Básicamente, esto significa que el grupo más grande se agrupará en el estado de energía más bajo posible: el llamado estado fundamental. Un grupo ligeramente más pequeño estará en el siguiente estado más alto, y un número menor en el estado anterior, y así sucesivamente a través de los diferentes estados de energía.

La distribución de Boltzmann también establece que los grupos de átomos pasan a estados de mayor energía a medida que aumenta su temperatura. Su distribución entre los estados disponibles sigue siendo exponencial, es decir, hay menos grupos en los estados superiores que en los inferiores. Pero, en general, hay una migración ascendente: los estados inferiores pierden átomos y los estados superiores ganan átomos.

La distribución de Boltzmann es importante porque nos dice cómo se distribuirán los grupos de átomos en los estados de energía si podemos determinar su temperatura. Como veremos más adelante, ésta es la clave para explicar todo tipo de fenómenos.

También nos da una nueva definición molecular de temperatura. En pocas palabras, la temperatura es el parámetro que nos dice cómo se distribuyen los átomos en los estados de energía.

La primera ley de la termodinámica establece que la energía interna de un sistema aislado permanece constante si no se realiza ningún trabajo sobre él.

Para comprender la primera ley de la termodinámica, necesitamos explicar un nuevo concepto: el trabajo. La palabra en sí es bastante familiar, pero no estamos hablando de lo que haces cuando llegas a tu oficina. En este contexto, el trabajo es un concepto mecánico.

Aquí está la definición básica: el trabajo es movimiento contra una fuerza opuesta. Piense en una polea que levanta un objeto pesado, por ejemplo: el trabajo de la polea es una batalla constante contra la fuerza opuesta de la gravedad. Cuando luchas por mantenerte erguido con un viento fuerte, tu cuerpo también está “trabajando” en este sentido.

Todos los sistemas son capaces de realizar un trabajo. Esta capacidad se llama energía. Sin embargo, los diferentes sistemas tienen diferentes cantidades de energía, lo que significa que algunos son capaces de realizar más trabajo que otros. Pero ya sea una polea o un calentador eléctrico, todas las formas de trabajo inducen el mismo cambio en la energía de un sistema.

Esto es un poco como escalar una montaña. Mientras empieces desde abajo y te dirijas a la cima, no importa qué camino elijas: siempre estarás ganando altitud.

Es por eso que la capacidad de un sistema para realizar trabajo se denomina energía interna. Es «interno» porque es una propiedad del sistema más que la naturaleza del trabajo que se realiza. Una vez que estás en la cima de una montaña, tu altitud es siempre la misma, independientemente de cuán pintoresco o repetitivo haya sido el viaje que te llevó allí.

A menos que un sistema esté completamente aislado, parte de su trabajo se transferirá a su entorno. Si la temperatura de un sistema aumenta, por ejemplo, la temperatura de su entorno también aumentará. De manera similar, si su temperatura baja, la temperatura de su entorno también bajará. Se llama calor al proceso mediante el cual se transfiere energía de un sistema a su entorno o viceversa.

Eso nos lleva a sistemas completamente aislados. Estos no transfieren calor a su entorno y su entorno es igualmente incapaz de transferir calor al sistema. Por tanto, podemos concluir que, mientras no se realice ningún trabajo sobre un sistema aislado, la energía interna de ese sistema siempre permanecerá constante. Esta es la primera ley de la termodinámica.

Parte del calor se pierde hacia el entorno al convertirse en trabajo, y se debe realizar trabajo para transferir calor de un objeto frío a uno más caliente.

La segunda ley de la termodinámica es notoriamente complicada, así que bajemos las cosas a la tierra con un ejemplo concreto (la máquina de vapor) antes de entrar en temas más abstractos.

Por un lado, las máquinas de vapor son proezas de ingeniería extremadamente complejas, que combinan cientos de piezas separadas y pistones y válvulas cuidadosamente diseñados. Sin embargo, los principios detrás del mecanismo son relativamente sencillos. Las máquinas de vapor tienen esencialmente tres componentes. En primer lugar, una fuente de energía caliente: el vapor. En segundo lugar, un dispositivo que transforma ese calor en trabajo: ese es el trabajo de los pistones y las turbinas. Por último, está el disipador de frío, un respiradero que extrae la energía que no se ha utilizado en forma de calor.

El disipador de frío es una parte vital de toda máquina de vapor y nos ayuda a comenzar a explicar la segunda ley de la termodinámica. ¿Por qué es eso? Bueno, nos dice que cuando el calor se convierte en trabajo, parte del calor se transferirá a los alrededores del sistema.

Pero la segunda ley es más que esta idea. Veamos un suceso cotidiano para ver qué más podemos aprender.

Cuando llenas una taza con agua hirviendo, la taza se calienta más. Esto sucede sin que usted haga ningún trabajo: no se requieren pistones ni electricidad. En termodinámica, esto se conoce como transferencia de calor espontánea porque simplemente ocurre sin que se realice ningún trabajo.

Pero digamos que olvidaste tu taza de té y está tibia. Decides hacer una paleta de té helado y ponerla en el congelador. Aquí, hará cada vez más frío a medida que el congelador trabaja para transferir calor a los alrededores más cálidos de su cocina fuera de los límites del congelador.

Este proceso es todo menos espontáneo. Congelar una bebida requiere trabajo. En algún lugar, se quema combustible en una central eléctrica para generar la electricidad que mantiene en funcionamiento el congelador.

Así que esta es la conclusión que ahora podemos sacar: el calor no se puede transferir de sistemas de baja temperatura a sistemas de alta temperatura sin que se realice trabajo en otra parte. Esta es nuestra segunda idea clave.

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía del universo aumenta durante los cambios espontáneos.

Hasta ahora hemos descubierto dos cosas importantes. Primero, cuando el calor se convierte en trabajo, parte del calor se transfiere al entorno. En segundo lugar, el calor no se puede transferir de sistemas de alta temperatura a sistemas de baja temperatura sin que se realice trabajo en algún punto de la línea.

El desafío que enfrentamos ahora es combinar estas dos ideas en una sola declaración. Para hacer esto necesitamos entender la entropía.

La entropía se refiere a la calidad de la energía de un sistema. Cuando hablamos de entropía, en realidad estamos hablando de desorden. La energía y la materia en un gas, por ejemplo, se distribuyen de forma desordenada. Esto significa que el gas tiene una alta entropía. En comparación, la energía y la materia en un cristal están ordenadas cuidadosamente. Por tanto, los cristales tienen baja entropía.

Ahora bien, cuando se transfiere calor a un sistema, también se produce un cambio en su entropía. La forma en que se produce este cambio depende de su entropía inicial y del tamaño de la transferencia de calor.

Estornudar puede ayudarnos a desentrañar esta idea. Imagina dos lugares. La primera es una biblioteca, nuestra metáfora de un sistema de baja entropía. La segunda es una animada calle principal llena de tiendas y transeúntes. Este es un sistema de alta entropía. Mientras tanto, un estornudo representa la transferencia de energía en forma de calor.

Si estornuda en una biblioteca, creará una gran cantidad de cambios y desorden: piense en los lectores sorprendidos, los papeles esparcidos y los libros caídos. Sin embargo, si estornuda en una calle principal concurrida, no pasará nada. En otras palabras, cuanto menor sea la entropía de un sistema dado, más fácilmente cambiará esta entropía. De manera similar, así como un estornudo más grande crea más desorden que un estornudo más pequeño, cuanto mayor es la transferencia de calor, mayor es el cambio de entropía.

En esta etapa estamos en condiciones de aventurar una declaración de la segunda ley de la termodinámica y ver si captura las dos ideas sobre el calor y el trabajo que exploramos en el apartado anterior.

Podemos comenzar afirmando que la entropía del universo aumenta durante los cambios espontáneos. Recuerde, «universo» significa el sistema que estamos observando junto con su entorno, mientras que «espontáneo» significa que no se produce ningún trabajo.

Así que esto es a lo que se reduce nuestra afirmación: siempre que se transfiere calor sin que se requiera trabajo, la entropía de un sistema y su entorno aumenta. Ahí está la teoría. ¿Pero funciona así en la práctica? Es hora de descubrirlo.

La segunda ley explica la forma en que funcionan los sumideros de frío y la dirección de las transferencias de calor.

Antes de pasar a la tercera ley de la termodinámica, debemos responder un par de preguntas. En primer lugar: ¿la segunda ley, tal como la hemos formulado, tiene sentido respecto de nuestra primera afirmación de que se transferirá algo de calor a los alrededores del sistema cuando el calor se convierta en trabajo?

Dicho de otra manera, ¿qué pasaría si una máquina de vapor constara de una fuente de energía caliente y una turbina pero careciera de un sumidero frío?

Bien, veamos. Cuando el calor abandona la fuente de energía caliente, la entropía del sistema disminuye: la fuente caliente se vuelve menos desordenada. Pero a medida que la turbina convierte este calor en trabajo y lo transfiere a su entorno, la entropía del sistema en realidad no cambiará en absoluto. ¿Por qué? Porque la entropía sólo cambia cuando se transfiere calor, no cuando se realiza trabajo. Entonces, sin un sumidero frío, no saldría calor de la turbina y no habría ningún cambio en la entropía del sistema.

Todo esto significa que, en general, la entropía disminuirá en un motor sin disipador de frío. Pero esto no puede suceder; contradice la segunda ley de la termodinámica. Como hemos visto, la entropía del universo debe aumentar durante los cambios espontáneos. Todo esto nos permite concluir que un motor térmico sin un sumidero frío es simplemente imposible: el sumidero frío debe estar presente para que la entropía aumente dentro de este universo, y por eso es tan vital.

Esto nos lleva de nuevo a nuestra segunda afirmación, que el calor se transfiere espontáneamente de objetos calientes a fríos. Intentemos imaginar lo contrario de esa afirmación (es decir, que el calor se transfiera de objetos fríos a calientes) para ver cómo funciona.

Cuando la energía abandona el objeto frío en forma de calor, la entropía disminuye. Pero este objeto frío es como la biblioteca que comentamos en el apartado anterior: está ordenada. Esto significa que la disminución de la entropía es relativamente grande. A medida que esta energía entra en el objeto caliente (la concurrida calle fuera de la biblioteca), la entropía aumenta, pero sólo en una cantidad menor.

Con todo, la entropía del universo ha disminuido. Según la segunda ley, esto significa que no puede haber sido espontáneo: debe haber habido algún trabajo. Esto es justo lo que propusimos en nuestra segunda declaración. ¿Nuestra conclusión? ¡Hemos verificado con éxito la segunda ley de la termodinámica!

Sin embargo, queda una pregunta: ¿qué es exactamente la entropía? Hasta ahora hemos dicho que se trata de desorden, pero el significado total de esto aún no está claro. En el siguiente apartado, analizaremos más de cerca este complicado concepto.

La entropía es una medida de la probabilidad de determinar el estado energético ocupado por una molécula.

¿Qué queremos decir cuando decimos que la entropía es una medida del desorden? Para responder a esa pregunta, debemos acercarnos y observar la cuestión a nivel molecular.

Piense en el almacén de nuestro gimnasio. Las bolas estaban en uno de los muchos estantes o en el suelo; no había bolas flotando entre dos “niveles”. Así ilustramos la distribución de las partículas en sus estados de energía disponibles.

También observamos que, una vez que aumentaba la temperatura de un grupo de átomos, estos átomos migraban hacia arriba desde el suelo a los estantes y de los estantes inferiores a los superiores. El resultado fue que una gama más amplia de niveles de energía o “estanterías” estaban ocupadas después de que la temperatura había aumentado que antes.

Sin embargo, recuerde que estábamos hablando de grupos de átomos; todavía no hemos hablado del nivel de energía de moléculas individuales seleccionadas al azar. Entonces, ¿cómo podemos predecir el nivel de energía que ocupan estas moléculas individuales?

Comencemos repitiendo que cuanto más alta es la temperatura, mayor es el rango de posibles niveles de energía. Esto significa que la probabilidad de predecir el nivel de energía de cualquier molécula dada es menor. Y esto –la mayor incertidumbre sobre el nivel de energía ocupado por las moléculas– es lo que tenemos en mente cuando hablamos de mayor desorden.

Todas las piezas de este rompecabezas encajan cuando observamos la entropía de una sustancia en el cero absoluto. Esta es la temperatura más baja posible, -273 grados centígrados. En termodinámica, que mide la temperatura con la escala Kelvin, esto es cero Kelvin, por lo tanto, cero absoluto.

En el cero absoluto, la distribución de Boltzmann nos muestra que sólo el estado de menor energía (el estado fundamental) está ocupado por moléculas. En otras palabras, cuando conviertes el almacén en un congelador, todas las bolas acaban en el suelo. Entonces, ¿qué pasa si seleccionamos una molécula al azar?

Pues tendremos absoluta certeza de que estará ocupando este estado fundamental. Esto equivale a decir que hay cero incertidumbre con respecto al estado energético de las moléculas individuales y, por tanto, cero desorden y cero entropía.

La entalpía, la energía de Helmholtz y la energía de Gibbs son herramientas de contabilidad útiles en termodinámica.

Piense en su primer cheque de pago. Parecía mucho dinero en efectivo, ¿verdad? Probablemente fue en ese momento cuando te diste cuenta de que una buena parte de ese dinero se iba a deducir para cubrir impuestos. Cuando el calor se convierte en trabajo sucede algo similar. Cada vez que un sistema produce calor, como cuando la quema de combustible genera vapor, ese sistema tiene que pagar un «impuesto al calor».

Imagine que está quemando un hidrocarburo como carbón en un cilindro equipado con un pistón móvil. La combustión del combustible produce dióxido de carbono y vapor de agua. Juntos, ocupan más espacio que el combustible y el oxígeno originales. Para acomodar este volumen adicional, el pistón se impulsa hacia afuera. Esto requiere trabajo y parte del calor producido por la reacción se utiliza para cubrir este gasto de energía.

Algunas reacciones funcionan de manera opuesta: los productos de la reacción ocupan menos volumen que los reactivos. En estos casos, el entorno del sistema toma el relevo y hace el trabajo. ¿El resultado? El sistema tiene más energía que puede liberar en forma de calor. Piense en ello como una especie de devolución de impuestos.

Cuando los físicos interesados ​​en la termodinámica tienen en cuenta este impuesto, utilizan un concepto llamado entalpía. La entalpía de un sistema es igual a su energía interna, más o menos el impuesto. Esto nos permite calcular cuánto calor es capaz de generar un sistema.

Los impuestos, sin embargo, tienen efectos en ambos sentidos. Como hemos visto, cuando produce trabajo, paga un impuesto al calor; cuando produce calor, en cambio, paga un impuesto al trabajo. Esto se debe a la segunda ley de la termodinámica.

Cualquier cambio espontáneo –es decir, cualquier cambio capaz de producir trabajo– va también acompañado de un aumento de la entropía en el universo. A esto lo llamaremos impuesto a la entropía.

La termodinámica tiene dos herramientas de contabilidad que ayudan a los físicos a realizar un seguimiento de estos cambios. En primer lugar, está la energía de Helmholtz. Esta es la cantidad total de trabajo que un sistema es capaz de producir durante procesos que ocurren a una temperatura y volumen constantes dado este impuesto. Luego está la energía de Gibbs: la cantidad total de trabajo que un sistema es capaz de realizar durante procesos que ocurren a temperatura y presión constantes, dado este impuesto.

¡Demasiado para el recaudador de impuestos! En el siguiente apartado, resumiremos las cosas observando la tercera y última ley de la termodinámica.

La tercera ley de la termodinámica establece que las sustancias cristalinas en el cero absoluto tienen entropía cero.

Ahora que entendemos las leyes cero, primera y segunda de la termodinámica y hemos visto de qué se trata la entropía, podemos pasar a la ley final: la tercera ley. Esta ley es un poco diferente de las demás ya que no requerirá que introduzcamos ningún concepto nuevo. Más bien, nos permitirá unir los conceptos que hemos discutido hasta ahora.

Lo primero que debemos decir sobre la tercera ley es que se basa en una visión importante de los procesos cíclicos. Como sugiere el nombre, estos procesos completan el círculo, lo que significa que el sistema en cuestión vuelve a su estado original. Puedes ver cómo funciona esto si piensas en tu refrigerador. Cuando colocas algo dentro de un frigorífico, se quita el calor de ese objeto y lo transfiere a su entorno. El frigorífico, sin embargo, siempre mantiene la misma temperatura.

Los procesos cíclicos no pueden llevar un objeto a cero grados Kelvin (cero absoluto) en un número finito de pasos. Nadie, por ejemplo, ha conseguido jamás colocar un objeto dentro de un frigorífico y alimentar progresivamente al aparato con más y más energía hasta que el objeto se haya enfriado al cero absoluto.

Esto también se aplica cuando intentas reducir la temperatura de un objeto apuntando directamente a su entropía. Una forma de hacerlo sería aislar térmicamente el objeto y luego aplicar un proceso conocido como desmagnetización adiabática. Básicamente, esto hace que los electrones giren en la misma dirección, reduciendo así su entropía. Pero repetir este proceso no llevará el objeto al cero absoluto: ninguna secuencia finita de procesos cíclicos puede enfriar un cuerpo al cero absoluto. Esto significa que debe haber un punto en el que finaliza el proceso de enfriamiento y en el que su entropía no puede reducirse más.

Y esto es lo que establece la tercera ley de la termodinámica, aunque con un par de modificaciones. En primer lugar, la ley sólo se aplica a determinadas sustancias, las llamadas sustancias perfectamente cristalinas. Estos tienen entropía cero cuando su temperatura es cero absoluto. Otras sustancias tienen entropía distinta de cero cuando su temperatura alcanza el cero absoluto. Se conocen como sustancias degeneradas y no están cubiertas por la tercera ley.

En segundo lugar, por conveniencia, decimos que las sustancias cristalinas convergen en un valor de entropía común de “cero”, aunque no conocemos su valor absoluto. Por tanto, la tercera ley se puede resumir como: la entropía de todas las sustancias perfectamente cristalinas a temperatura del cero absoluto es cero.

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