Les lleis de la termodinàmica són un conjunt de principis que regeixen el comportament de lenergia i la matèria en relació amb la calor i el treball. Aquestes lleis són la base de la termodinàmica i s'apliquen a una gran varietat de sistemes físics, des de motors tèrmics fins a processos biològics i fenòmens astrofísics. Hi ha quatre lleis universalment acceptades, cadascuna de les quals descriu aspectes essencials sobre la conservació, la transferència i la dissipació de l'energia als sistemes.
Amb el temps, aquests principis han estat acceptats com a "lleis" a causa de la seva validesa universal. Tot i que s'han proposat formulacions addicionals en les darreres dècades, les quatre lleis establertes continuen sent el marc fonamental de la termodinàmica. Curiosament, la llei zero va ser formulada després de les altres tres lleis principals, però a causa de la seva naturalesa fonamental, se li va assignar la posició “zero”.
Aquestes 4 lleis poden expressar-se de diverses maneres, depenent del context teòric i pràctic en què s'apliquin. Tot i això, les seves formulacions més comunes són les següents:
Llei zero: Equilibri termodinàmic
La llei zero estableix que “si dos sistemes termodinàmics estan en equilibri tèrmic amb un tercer sistema, aleshores també estan en equilibri entre si”. Aquest principi és essencial per a la definició de la temperatura i permet l‟existència de termòmetres i la comparació de temperatures entre diferents cossos. La formulació daquesta llei va permetre establir de manera rigorosa el concepte dequilibri tèrmic, un estat en el qual no hi ha transferència neta de calor entre els sistemes en contacte.
En termes pràctics, aquesta llei implica que si un objecte A està en equilibri tèrmic amb un objecte B, i B ho està amb un objecte C, aleshores A i C també estan en equilibri tèrmic. Això és crucial per al mesurament precís de la temperatura i per a la definició d'escales de temperatura a la física i l'enginyeria.
Primera llei de la termodinàmica: Conservació de lenergia
La primera llei de la termodinàmica, també coneguda com la llei de la conservació de l'energia, estableix que "l'energia total d'un sistema aïllat no es crea ni es destrueix, només es transforma d'una manera a una altra". Aquesta llei té implicacions àmplies en nombrosos camps de la ciència i la tecnologia, des de l'enginyeria fins a la biologia.
Un exemple quotidià de la primera llei és un motor tèrmic on l'energia química del combustible es converteix en energia tèrmica i posteriorment en treball mecànic. Matemàticament, aquesta llei s'expressa com:
On:
- ΔU és el canvi en l'energia interna del sistema,
- Q és la calor afegida al sistema,
- W és la feina feta pel sistema.
Aquesta equació reflecteix que qualsevol canvi en l'energia interna d'un sistema és degut a la transferència de calor oa la feina feta. En altres paraules, l'energia d'un sistema només es pot modificar mitjançant interaccions amb l'entorn.
Segona llei de la termodinàmica: Entropia i direcció dels processos
La segona llei de la termodinàmica estableix que l'entropia de l'univers tendeix a incrementar-se. L´entropia és una mesura del desordre d´un sistema i aquesta llei dicta la direcció natural dels processos termodinàmics. En termes simples, l'energia es dispersa i els sistemes evolucionen cap a estats de més desordre si no s'aplica un esforç extern.
Aquesta llei té diverses conseqüències importants:
- Irreversibilitat Alguns processos, com la transferència de calor d'un cos calent a un de fred, són espontanis i irreversibles en condicions naturals.
- Eficiència de Màquines Tèrmiques : Cap màquina tèrmica pot tenir una eficiència del 100%, ja que sempre hi haurà pèrdues d'energia en forma de calor.
- Evolució de l'Univers L'augment continu de l'entropia suggereix que l'univers està evolucionant cap a un estat d'equilibri tèrmic final, conegut com a “mort tèrmica”.
L'enunciat matemàtic de la segona llei es pot expressar mitjançant la desigualtat de Clausius:
On és la quantitat de calor transferida i és la temperatura absoluta. En processos irreversibles, l'entropia total del sistema i l'entorn augmenta.
Tercera llei de la termodinàmica: Zero absolut
La tercera llei de la termodinàmica estableix que “és impossible assolir el zero absolut mitjançant un nombre finit de processos físics”. El zero absolut es troba a 0 kelvin (-273.15 °C) i representa la temperatura mínima possible. A aquesta temperatura, teòricament, les partícules d'un sistema estarien en el seu estat fonamental d'energia mínima i l'entropia assoliria un valor constant.
Matemàticament, la tercera llei es pot expressar com:
On:
- S(T) és l'entropia a una temperatura T ,
- S 0 és l'entropia al zero absolut (T = 0) ,
- C p és la calor específica a pressió constant.
- T és la temperatura a kelvin.
Aquesta llei té importants implicacions en la física de materials i la criogènia. A mesura que un sistema es refreda cap al zero absolut:
- L´entropia del sistema es redueix a un valor mínim.
- Els processos tèrmics s'alenteixen considerablement.
- Algunes substàncies experimenten un fenomen conegut com a condensació de Bose-Einstein, on un gran nombre d'àtoms ocupa el mateix estat quàntic.
Tot i que el zero absolut és inabastable a la pràctica, la comprensió d'aquesta llei ha permès avenços en la superconductivitat i en la creació de tecnologies que operen a temperatures extremadament baixes.