En el presente capítulo se analizarán los aspectos fundamentales de la termodinámica, considerando sus aplicaciones a la vida cotidiana, en la que es frecuente preguntarse: ¿cómo protegerse del frío en invierno y del calor en verano?, ¿cómo disminuir el gasto de gas, leña y electricidad en casa? y, más recientemente, ¿cómo disminuir la contaminación y acceder al desarrollo sustentable?
Desde luego, las tres preguntas anteriores no fueron formuladas así en los orígenes del desarrollo histórico de la termodinámica. La noción de desarrollo sustentable, por ejemplo, no era una preocupación tan generalizada como lo es ahora, cuando los límites del crecimiento poblacional y productivo, así como su huella ambiental desbocada se avizoran en el futuro cercano, lo cual ha motivado avances notables en la disciplina.
Algunos historiadores indican que la termodinámica nació hace unos cuatro siglos, asociada a la resolución de problemas sociales prácticos, tales como la predicción del tiempo atmosférico, que permitió el entendimiento de las variaciones en el volumen de los gases al cambiar la presión y la temperatura; o por el uso generalizado de los motores térmicos a base de carbón mineral, lo cual hizo necesario entender las relaciones entre los conceptos de trabajo mecánico y calor.
Más adelante, el agotamiento de los yacimientos superficiales de carbón obligó a su extracción del subsuelo, con los consiguientes problemas de inundaciones en las minas ocasionadas por el encuentro con los mantos freáticos, presentándose así la necesidad de construir motores térmicos cada vez más eficientes en cuanto al gasto de carbón y la realización de trabajo.
Hoy en día, la extracción eficiente de combustibles fósiles como petróleo, gas y carbón, sigue siendo tan prioritaria como en aquellos lejanos tiempos, pero agravada por el hecho del agotamiento cercano de los dos primeros. Si a ello agregamos los problemas evidentes para la salud y el ambiente, ocasionados por su quemado o su utilización generalizada en múltiples actividades sociales, queda inevitablemente en el orden del día la disminución de la contaminación. Para lograr esto, al menos para reducirla notoriamente, es imprescindible replantearse el uso que hacemos de los combustibles fósiles, la electricidad y la leña en casa.
La termodinámica ayuda a enfrentar los problemas mencionados, que han sido una preocupación permanente desde que los motores térmicos hicieron su aparición. De esto se dará cuenta el lector al estudiar las siguientes páginas. Asimismo, se mostrará que a partir de la formulación de los conceptos y las leyes de la termodinámica es posible entender los aspectos básicos de nuestro mundo con las descripciones de las dimensiones humanas, inclusive las micro y macroscópicas.
La termodinámica es una parte importante de la física que comprende el estudio de las transformaciones de energía por calor y por trabajo, a través de los cambios de estado de un objeto de tamaño macroscópico. Analiza también la forma en que los objetos se acercan al equilibrio, cuando inicialmente parten de un estado de desequilibrio.
La ley cero de la termodinámica revela que la temperatura es una de las propiedades básicas de todo objeto o sistema termodinámico, que indica si un objeto está en equilibrio térmico con otro.
La primera ley de la termodinámica establece la existencia de la energía interna como una propiedad fundamental de todo sistema termodinámico y estipula la forma en que cambia esta energía al interactuar el objeto con otros cuerpos, ya sea por trabajo o por calor.
La segunda ley de la termodinámica se refiere a que los objetos tienen además otra propiedad, llamada entropía, la que siempre aumenta cuando un objeto aislado experimenta un cambio de estado, marcando de esta manera la dirección en que el proceso de transformación ocurre.
La termodinámica, como ciencia moderna, nació en el siglo XVII en Europa, asociada a la solución de problemas técnicos referentes al estudio del estado del tiempo atmosférico y su predicción, así como al estudio de la eficiencia de los motores térmicos.
