Les lleis de la termodinàmica són un conjunt de lleis sobre les quals es basa la termodinàmica. En concret, es tracta de quatre lleis que són universalment vàlides quan s'apliquen a sistemes que cauen dins de centres restriccions.
Amb el temps, aquests principis s'han convertit en "lleis". Actualment s'enuncien un total de quatre lleis. En els últims 80 anys, alguns autors n'han suggerit d'altres, però cap d'elles ha estat acceptades per unanimitat.
Curiosament, la llei zero es va formular després d'haver enunciat les altres tres lleis de la termodinàmica i és una conseqüència de totes elles. Per aquesta raó, té la posició 0.
Quines són les lleis de la termodinàmica?
En les diverses descripcions teòriques de la termodinàmica, aquestes lleis poden expressar-se en formes aparentment diferents, però les formulacions més destacades són les següents:
La llei zero de la termodinàmica estableix que "si dos sistemes termodinàmics que estan en equilibri tèrmic amb un tercer, també estan en equilibri entre si".
La primera llei de la termodinàmica o llei de la conservació de l'energia. Aquest principi estableix que "L'energia total d'un sistema aïllat ni es crea ni es destrueix, es manté constant".
La segona llei de la termodinàmica estableix que la quantitat d'entropia de l'univers tendeix a incremanterse. D'aquesta llei s'extreu que no existeix l'eficiència del 100% d'una màquina tèrmica. També s'extreu que no tots els processos termodinàmics són reversibles.
La tercera llei de la termodinàmica estableix que és impossible arribar a una temperatura igual al zero absolut (0 Kelvin).
Llei zero de la termodinàmica
Aquest principi s'anomena equilibri termodinàmic. Si dos sistemes A i B estan en equilibri termodinàmic i B es troba en equilibri termodinàmic amb un tercer sistema C, A i C són al seu torn en equilibri termodinàmic.
Aquest principi és fonamental. El principi 0 no va ser formulat formalment fins després d'haver-se enunciat les altres tres lleis. Per aquest motiu rep la posició 0.
Què vol dir que un procés estigui en equilibri termodinàmic?
L'equilibri termodinàmic d'un sistema es defineix com la condició de la mateixa en què les variables empíriques utilitzades per definir un estat d'un sistema termodinámic han arribat a un punt d'equilibri. A l'estar en equilibri, no varien al llarg del temps.
A aquestes variables empíriques (experimentals) d'un sistema se les coneix com a coordenades termodinàmiques del sistema. Entre altres variables empíriques tenim: pressió, volum, camp elèctric, polarització, magnetització, tensió lineal, tensió superficial, etc.
Primera llei de la termodinàmica
La primera lei estableix que "l'energia total d'un sistema aïllat ni es crea ni es destrueix, es manté constant".
Es pot passar d'una forma d'energia a una altra però l'energia ni es crea ni desapareix. Per exemple, en un motor tèrmic es pot convertir l'energia tèrmica de la combustió en energia mecànica.
La primera llei de la termodinàmica també es coneix com a llei de la conservació de l'energia. Aquesta llei termodinàmica estableix que, si es realitza treball sobre un sistema o bé aquest intercanvia calor amb un altre, l'energia interna de sistema canviarà.
Vist d'una altra manera, aquesta llei permet definir la calor com la quantitat d'energia necessària que ha d'intercanviar el sistema per compensar les diferències entre treball i energia interna. Va ser proposada per Antoine Lavoisier.
Segona llei de la termodinàmica
La segona llei de la termodinàmica regula la direcció en què s'han de dur a terme els processos termodinàmics i, per tant, la impossibilitat que ocorrin en el sentit contrari. Per exemple, la transferència de calor es pot produir d'un cos calent a un altre de fred, però no al revés.
També estableix, en alguns casos, la impossibilitat de convertir completament tota l'energia d'un tipus a un altre sense pèrdues. Per exemple, en un motor ideal, la quantitat de calor subministrada es converteix en treball mecànic. No obstant això, en un motor real, part de la calor subministrat es perd.
Aquesta llei permet definir una l'entropia. La variació de la quantitat d'entropia d'un sistema termodinàmic aïllat sempre ha de ser major o igual a zero i només és igual a zero si el procés és reversible.
La primera i segona lleis de la termodinàmica van sorgir simultàniament en la dècada de 1850. Principalment va ser el resultat de les obres de William Rankine, Rudolf Clausius i William Thomson (Lord Kelvin).
Tercera llei de la termodinàmica
La tercera de les lleis de la termodinàmica afirma que és impossible arribar a una temperatura igual al zero absolut mitjançant un nombre finit de processos físics. El zero absolut equival a 0 kelvin, és a dir, a -273 graus Celsius. Aquesta llei va ser proposada per Walther Nernst.
Quan la temperatura tendeix a zero absolut, l'entropia de qualsevol sistema tendeix a zero
El tercer principi de la termodinàmica pot formular també com que a mesura que un sistema donat s'aproxima a l'zero absolut, la seva entropia tendeix a un valor constant específic.
