Des de la seva definició la primera llei de de la termodinàmica presenta 3 limitacions sobre els processos termodinàmics:
-
No podemos saber si un proceso es reversible o irreversible.
-
No indica si la calor pot fluir d'un cos fred a un cos calent.
-
A la pràctica no és possible convertir l'energia tèrmica en una quantitat equivalent de treball.
Abans d'analitzar a l'detall cadascuna d'aquestes limitacions, convé saber què estableix la primera llei de la termodinàmica (o principi de conservació de l'energia):
Què ens diu la primera llei de la termodinàmica?
La llei de conservació de l'energia estableix que el canvi en el total d'energia de el sistema és igual a la diferència entre el subministrat o transmesa de calor i el subministrat o lliurat part. L'energia total és la suma d'energia cinètica, l'energia potencial, l'energia interna i altres formes d'energia:
Per a un sistema aïllat tèrmicament de l'entorn (sistema tancat), s'aplica el teorema sobre la conservació de l'energia total:
-
L'energia interna d'un sistema aïllat tèrmicament roman constant.
-
L'energia no es pot destruir o crear, i sota certes condicions una forma d'energia es pot convertir en una altra.
Segons la primera llei de la termodinàmica, no és possible un mòbil perpetu, és a dir, una màquina que generi treball sense subministrar-treball o calor i sense fer canvis a l'realitzar el treball.
Limitació 1: No podem saber si un procés és reversible o irreversible
Un procés és reversible si pot produir-se en un sentit o en un altre. Per exemple, l'aigua es pot congelar i descongelar intercanviant calor en un procés termodinàmic en tots dos sentits.
D'altra banda, la combustió d'un tros de paper és un procés irreversible. Un cop consumit el paper, aquest s'ha convertit en fum, però no és possible tornar a convertir el fum en paper.
Una de les limitacions de la primera llei de la termodinàmica és que no podem saber si un procés és reversible o no ho és. Segons aquesta llei, res impediria que poguéssim convertir el fum en paper.
Limitació 2: No hi ha cap restricció sobre la direcció d'el flux de calor
Tots els cossos tenen una certa energia en el seu interior: l'energia interna de el sistema. De vegades aquesta energia pot fluir en forma de calor d'un cos a un altre.
L'experiència ens indica que afegim aigua calenta en un got a temperatura ambient, el got es va a escalfar: part de l'energia de l'aigua s'ha transferit a el got en forma de calor. La direcció de la transferència de calor és clara: la calor flueix de el cos calent, a el cos fred.
No obstant això, ¿és possible que la calor flueixi a l'inrevés? ¿És possible que part de l'energia de l'got es transfereixi a l'aigua escalfant-encara més? Per experiència sabem que no, però el primer principi de la termodinàmica no estableix cap restricció sobre la direcció de la transferència d'energia calorífica. En teoria, res ens ho impediria.
Limitació 3: No és possible convertir tota l'energia tèrmica en treball
Segons la primera llei, l'energia d'un procés termodinàmic l'energia total de sistema es manté constant. No obstant això, en la pràctica això no succeeix així i sempre hi ha pèrdues, sobretot en sistemes oberts.
Per exemple, en un motor de combustió no és possible convertir tota l'energia tèrmica generada durant la combustió en treball mecànic.
D'acord amb el teorema de Carnot: "No pot existir una màquina tèrmica que funcionant entre dues fonts tèrmiques donades tingui major rendiment que una de Carnot que funcioni entre aquestes mateixes fonts tèrmiques."
I després d'aquestes limitacions?
Bé, per a resoldre totes aquestes limitacions de la primera llei de la termodinàmica, a poc a poc van sorgir les altres lleis de la termodinàmica.
La segona llei de la termodinàmica estableix l'existència de l'entropia en funció de l'estat d'un sistema termodinàmic. Aquesta llei introdueix el concepte de temperatura termodinàmica absoluta.
En un sistema aïllat, l'entropia es manté sense canvis o augmenta (en processos de no equilibri), arribant a un màxim quan s'estableix l'equilibri termodinàmic.
Finalment va aparèixer la llei zero de la termodinàmica que estableix que "si dos sistemes que estan en equilibri tèrmic amb un tercer sistema, també estan en equilibri entre si". Aquesta llei va ser la última però la van col·locar per davant dels altres principis de la termodinàmica.
