Les lleis de la termodinàmica són un conjunt de lleis sobre les quals es basa la física de la termodinàmica. En concret, es tracta de quatre lleis que són universalment vàlides quan s'apliquen a sistemes que cauen dins de les restriccions implícites a cadascun.
Amb el temps, aquests principis han esdevingut "lleis". Actualment s'enuncien un total de quatre lleis. En els últims 80 anys, alguns autors han suggerit altres lleis, però cap no va ser acceptada per unanimitat.
Curiosament, la llei zero es va formular després d'haver enunciat les altres tres lleis i n'és una conseqüència. Per això, té la posició 0.
Quines són les lleis de la termodinàmica?
A 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 estableix que “si dos sistemes termodinàmics que estan en equilibri tèrmic amb un tercer, també estan en equilibri entre ells”.
- La primera llei estableix que "L'energia total d'un sistema aïllat ni es crea ni es destrueix, continua constant".
- La segona llei estableix que la quantitat d‟entropia de l‟univers tendeix a incrementar-se. D'aquesta llei se n'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 ley establece que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto (0 kelvin).
Llei zero: llei de l'equilibri termodinàmic
Aquest principi s'anomena de l'equilibri termodinàmic. Si dos sistemes A i B estan en equilibri termodinàmic, i B està en equilibri termodinàmic amb un tercer sistema C, aleshores A i C estan alhora en equilibri termodinàmic.
Aquest principi és fonamental. El principi 0 no va ser formulat formalment fins després d'haver enunciat les altres tres lleis. Per això rep la posició 0.
L'equilibri termodinàmic d'un sistema es defineix com la seva condició en què les variables empíriques utilitzades per definir un estat del sistema han arribat a un punt d'equilibri. Com que està en equilibri, no varien al llarg del temps.
Aquestes variables empíriques (experimentals) d'un sistema se'ls 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: conservació de lenergia
La primera llei de la termodinàmica postula que l‟energia total d‟un sistema aïllat es manté constant; ni es crea ni es destrueix, simplement es transforma duna forma a una altra. Per exemple, en un motor tèrmic, lenergia tèrmica resultant de la combustió es converteix en energia mecànica.
Aquesta llei, també coneguda com la llei de la conservació de l'energia, estableix que en fer feina sobre un sistema o intercanviar calor amb un altre, l'energia interna del sistema experimentarà canvis. En termes més senzills, la llei permet conceptualitzar la calor com la quantitat d'energia que ha d'intercanviar un sistema per equilibrar les discrepàncies entre el treball realitzat i l'energia interna. Antoine Lavoisier va ser el pioner a proposar aquesta fonamental llei termodinàmica.
Segona llei: principi de l'entropia
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 es produeixin en el sentit contrari. Per exemple, la transferència de calor es pot produir d'un cos calent a un altre de fred, però no a la inversa.
També estableix, en alguns casos, la impossibilitat de convertir completament tota l'energia d'un tipus a l'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 subministrada es perd.
Aquesta llei permet de definir l'entropia. La variació de la quantitat d'entropia d'un sistema aïllat ha de ser sempre més gran o igual a zero i només és igual a zero si el procés és reversible.
La primera i segona lleis van sorgir simultàniament a la dècada de 1850. Principalment va ser el resultat de les obres de William Rankine, Rudolf Clausius i William Thomson (Lord Kelvin).
Tercera llei: principi del zero absolut
La tercera llei de la termodinàmica postula que és impossible assolir una temperatura igual al zero absolut mitjançant un nombre finit de processos físics. El zero absolut se situa en 0 kelvin, equivalent a -273 graus Celsius, i aquesta llei, fonamentalment proposada per Walther Nernst , estableix limitacions fonamentals en l'aproximació a aquestes condicions extremes.
A mesura que la temperatura s'acosta al zero absolut, l'entropia de qualsevol sistema tendeix a zero, cosa que implica una ordenació màxima i una mínima agitació molecular. En altres paraules, el desordre del sistema es redueix a la mínima expressió d'acord amb el límit tèrmic més baix possible.
Aquest principi pot ser també formulat de la manera següent: a mesura que un sistema específic s'aproxima al zero absolut, la seva entropia convergeix cap a un valor constant específic. Aquest aspecte de la tercera llei de la termodinàmica destaca la regularitat intrínseca que es manifesta als sistemes a temperatures extremadament baixes.