Si en tu mente no hay ni un solo rincón ñoño, sugiero que des media vuelta y esperes otro post que lo sea menos. El concurso sigue abierto, si eso es lo que quieres saber. Las explicaciones propuestas más ingeniosas han sido las de Alejandra y DragonTrainer. Aún nadie ha acertado a la explicación exacta... Otra pista: no tiene nada que ver con este post. Y me extraña que nadie haya dado ya con la clave...
Okey. Quedaron advertidos. Me hubiera gustado contar una historia como la teleserie del Francotirador, pero esto es lo que me tocó vivir. Vamos...
La termodinámica es la ciencia que trata sobre el estudio del calor, el trabajo, la energía y los cambios que ellos producen en los estados de la materia. Halló sus primeras aplicaciones en el estudio de las máquinas térmicas, que son las que convierten calor (como el generado por una fogata) en trabajo (p. ej. un tren moviéndose; la máquina de vapor es un triunfo de la termodinámica). Hasta ahí, son puros problemas físicos, pero después llegaron los químicos, y se pusieron a medir temperaturas en reacciones químicas y se dieron cuenta de que los principios de la termodinámica se aplicaban también. Y si la termodinámica media procesos químicos, hasta a los biólogos les interesa. Es decir, la termodinámica es una ciencia transversal.
La termodinámica es un área del conocimiento que queda a medio camino entre la física y la química; es por esto que muchos de los cursos universitarios donde se la enseña se llaman "química física" o "fisicoquímica".
La termodinámica es importante porque es la única rama de la ciencia que predice con exactitud si un determinado proceso es posible o no, en tanto esté en acuerdo con ciertos principios llamados leyes de la termodinámica, que vienen a ser como "las reglas del juego". Si un proceso que nos imaginemos no está de acuerdo con estas leyes, se dice que dicho proceso viola una o más de estas leyes.
Las leyes de la termodinámica son generalizaciones de la experiencia, es decir, combinando múltiples experimentos se extraen estos principios generales comunes.
(No desesperen ante la aridez del tema... Pretendo llevar todo a la vida diaria, pero debo introducirlos.)
Las leyes de la termodinámica pueden enunciarse como sigue (tomado de "Fisicoquímica" de Ira N. Levine, ed. McGraw-Hill, cuarta edición):
Ley cero. Si un cuerpo A tiene una temperatura T, y ese cuerpo está en equilibrio térmico con otro cuerpo B (es decir, tienen la misma temperatura), y el cuerpo B está en equilibrio térmico con otro cuerpo C, el cuerpo C tiene la misma temperatura que el cuerpo A. O sea, como le llamo yo, transitividad de la temperatura. Dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando hay entre ellos una pared que conduzca el calor, es decir, los cuerpos intercambian energía térmica.
Comentario para los neófitos: la energía, para estos casos, se expresa como calor o como trabajo. El calor y en trabajo son formas de intercambiar energía. El calor no es sinónimo de temperatura; si una olla con agua está, por decir algo, a 25°C, y la caliento mediante una llama hasta que hierve a 100°C, hay una diferencia de temperaturas. Eso significa que hubo una transferencia de energía, y eso se llama calor. ¿Me explico?
Hasta ahí, relativamente fácil de entender.
Primera ley. En un sistema cerrado, en reposo y sin campos, la variación de la energía total de un proceso es igual a la suma del calor transferido al sistema más el trabajo mecánico que realiza.
Esta historia de la termodinámica partió con las máquinas térmicas. Para que una máquina térmica funcione, debe realizar un proceso cíclico. En una máquina de vapor, el sistema (el agua), recibe calor (antiguamente, de la quema de carbón), hierve (pasa del estado líquido al gaseoso), como gas, al calentarlo se expande, y al expandirse mueve los engranajes que mueven al tren (o barco, o lo que sea... ahí es cuando realiza trabajo). Una vez que se ha movido la máquina, el vapor se enfría, vuelve a contraerse, se condensa y el agua vuelve al estado desde donde partió. Es decir, todo el proceso es un ciclo; de ahí el agua vuelve a calentarse, con lo que el proceso se reanuda.
La importancia de la primera ley es que dice que en una máquina térmica, no puede hacerse más trabajo que el calor que se entrega a la máquina. Como algunos ingeniosos dijeron por ahí, "no se puede ganar".
Segunda ley. Es imposible que un sistema realice un proceso cíclico cuyos únicos efectos sean el flujo de calor desde una fuente de calor al sistema y la realización, por el sistema, de una cantidad de trabajo equivalente sobre el entorno.
En castellano: no se puede construir una máquina que convierta todo el calor a trabajo; parte del calor siempre se va a arrancar por algún lado y se perderá. Los mismos ingeniosos de los que hablaba arriba han dicho "o sea, ni siquiera se puede empatar". Y las máquinas térmicas no son muy eficientes que digamos. Hay que darse con una piedra en el pecho si uno encuentra una que tenga un 50% de eficiencia. Por eso que ya no se usan. En todo caso, las máquinas modernas tampoco son taaan eficientes. Una máquina 100% eficiente viola la segunda ley.
Aparte que quemar carbón contamina más que la CSM...
No quiero decir con esto que estemos condenados a perder. Me pasearé por la entropía.
De la formulación de la segunda ley sale un concepto que se llama entropía (S). Se definió como dS = dq/T... donde q es el calor y T es la temperatura, pero no quiero ahondar demasiado (las d son diferenciales). Este concepto dio pie a otras magnitudes, cuyas implicancias sentaron las bases de la química moderna, especialmente lo que se llama equilibrio químico. A partir de las mediciones de presión, temperatura, y volumen, calculo calor y trabajo, y con ellos calculo la entropía del sistema, del entorno y del universo. Un cuerpo en estudio se llama un sistema. Lo que lo rodea, es el entorno. El conjunto de los dos, se llama el universo (que en este caso no es la totalidad del cosmos, sino sólo la suma del sistema y el entorno).
Al poner en expresiones matemáticas la segunda ley, se sigue que en cualquier proceso que siga el conjunto sistema + entorno, la entropía del universo (sistema + entorno) o bien permanece tal cual, con lo cual el proceso se dice que es reversible, o aumenta, con lo que se dice que el proceso es irreversible. En ningún caso la entropía del universo puede disminuir. Esto último es considerado como un enunciado alternativo de la segunda ley. Si bien la segunda ley no lo prohíbe, la probabilidad de que la entropía del universo permanezca tal cual es absolutamente despreciable. Tomen nota. Esto es importante para lo que quiero decir.
Tercera ley. En cualquier proceso isotérmico que implique sustancias puras solamente, cada una de ellas en equilibrio interno, la variación de entropía tiende a cero cuando la temperatura tiende a cero.
No la comentaré, porque no vale la pena aquí. No he hablado del cálculo de las propiedades termodinámicas. No es el objetivo del post. Era sólo para decir que las leyes de la termodinámica son cuatro, a saber, las leyes 0, 1, 2 y 3.
Volveré sobre la segunda ley. La entropía es un concepto relativamente fácil de manejar matemáticamente, pero es complicado de interpretar en términos moleculares. Aquí escapamos de la termodinámica y nos metemos en la escala molecular. ¿Qué significa que la entropía del universo siempre aumente? En términos de calor y trabajo, la entropía es sólo un concepto matemático útil como intermediario para entender otras cosas de la física y la química a escala macro, pero ¿qué significa a nivel molecular?
Continúa en algún momento de esta semana. Prometo que aterrizo.
