1850. Primera y segunda ley de la termodinámica

Se suele pensar que la tecnología deriva del complejo proceso de creación científica. Si bien esto es cierto en una innumerable cantidad de ejemplos, no se aplica a la historia de la termodinámica. Ya circulaban trenes impulsados a vapor cuando aún se comprendía muy escasamente cuáles eran los principios que gobernaban aquellas transformaciones energéticas. Fueron los trabajos del físico inglés James Joule (1818-1889) realizados en Gran Bretaña y publicados en 1850 los que llevaron a establecer inequívocamente la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor. Los experimentos realizados por Joule permitieron concluir que cuando a un sistema aislado de su exterior se le suministra trabajo mecánico, sin importar la forma en que se haga, se obtiene una cantidad equivalente de energía térmica. Esta afirmación avala el principio de conservación de la energía. En el experimento de Joule, la energía mecánica se transforma en trabajo mecánico y este trabajo es convertido en energía térmica. Cuando las transformaciones energéticas ocurren en un sistema aislado (como el del experimento de Joule), la energía total dentro de éste permanece constante. Al interpretarse el Universo como un sistema aislado, la generalización de estas observaciones condujo a proponer la primera ley de la termodinámica: la energía del Universo permanece constante. Pero los sistemas biológicos son abiertos, es decir que pueden intercambiar libremente materia y energía con su entorno. Aun así, en los sistemas abiertos el principio de conservación de la energía continúa cumpliéndose. La diferencia radica en dónde se establecen los límites del sistema en estudio. En un organismo vivo, la energía perdida o disipada por éste es igual a la ganada por su entorno (ambiente) y viceversa. Por otra parte, al analizar los procesos que ocurren en la naturaleza, nuestra experiencia nos muestra que gran parte de ellos ocurren en forma espontánea y siempre en una dirección, nunca en la inversa. Una roca sólo rodará cuesta abajo, el calor sólo fluirá de un objeto caliente a uno frío, una pelota que se dejó caer rebotará pero nunca llegará hasta la misma altura desde la que cayó. Para que ocurran procesos que transforman energía es necesario que existan desniveles o gradientes que son la fuente de las fuerzas que conducen procesos con transformaciones energéticas asociadas. Estos procesos tienden a homogeneizar el sistema, al disipar los gradientes hasta alcanzar un estado de equilibrio. La segunda ley de la termodinámica establece la noción de que existe una dirección hacia la cual cualquier sistema que esté fuera del equilibrio tiende a desplazarse. Al hacerlo se disipa energía. Cuando toda la energía útil se haya disipado, en el sistema no podrán ocurrir más procesos. En términos energéticos, podemos pensar en los desequilibrios y en las heterogeneidades como almacenamientos de energía útil que permiten que se lleven a cabo los procesos. La cantidad de energía útil será igual a la energía total puesta en juego durante el proceso, menos cierta cantidad de energía que inevitablemente se disipará: Energía útil = Energía total – Energía disipada En la década de 1850, el físico alemán Rudolf Clausius (1822-1888) formalizó la ecuación anterior con el estudio del importante papel de esa energía inevitablemente disipada. Expresó esta fracción energética como el producto de la temperatura por un factor que llamó entropía (del griego tropos, que significa cambio, transformación) y lo simbolizó con la letra (S). Energía disipada = T x S En cualquier sistema aislado, los procesos no serán causados por agentes externos a él. Estos procesos internos, que serán considerados espontáneos, ocurren porque en el sistema hay heterogeneidades: si una porción o parte del sistema está más caliente que el resto, esa porción se enfriará hasta que todo el sistema tenga una temperatura uniforme; si existen diferencias de cargas se producirán corrientes eléctricas que las compensarán; si existen regiones donde el potencial químico es mayor, éste se disipará hasta homogeneizarse. Cuando todos estos procesos hayan compensado los desniveles o gradientes que los originaron, el sistema habrá alcanzado un equilibrio y toda la energía útil se habrá disipado. Entonces, la entropía del sistema habrá llegado a un máximo. Así, en los sistemas aislados, la entropía nos permite predecir la dirección de los procesos espontáneos. En síntesis: los dos principios fundamentales de la termodinámica, formulados a principios de la segunda mitad del siglo XIX por Clausius, se enuncian como sigue: Dado que el Universo es un sistema completamente aislado: • Primera ley: la energía del Universo es constante. • Segunda ley: la entropía del Universo tiende a un máximo.

Véase también: cap. 4