De entre las diversas ramas de estudio de la Física, la termodinámica es la encargada del estudio del calor y su transformación en trabajo. Esta última es de vital importancia para poder hacer posible el funcionamiento de diversos instrumentos y máquinas que nos facilitan la realización de actividades cotidianas y que son importantes en la elaboración de diversos productos. Para poder hablar de la energía desde el enfoque de la termodinámica debemos hablar de cuáles son las propiedades que definen el estado de un sistema termodinámico. Para ello, es necesario especificar a qué le llamamos sistema termodinámico. 

Le llamamos sistema a aquel objeto, o porción de materia, que es sujeto de estudio. Las propiedades con las que definimos su estado son la presión, el volumen y la temperatura. De estas propiedades, nos enfocaremos en la temperatura y en una forma de energía llamada calor.

Los conceptos de calor y temperatura están íntimamente relacionados. La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas de un cuerpo, mientras que el calor es la cantidad de energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperaturas. El calor es una forma de energía que no puede almacenarse y está relacionada con la energía térmica y la energía interna. 

La energía térmica es una forma de energía que está en capacidad de ser transferida de un cuerpo a otro. Por su parte, la energía interna depende del movimiento a nivel molecular. Su relación la explicaremos con el siguiente ejemplo. Una sustancia con la que todos estamos familiarizados es el agua en estado sólido a la que comúnmente llamamos hielo. Ésta posee una energía interna menor a la que posee el agua en estado gaseoso (vapor). ¿A qué se debe esto? En estado sólido, las moléculas de agua se mantienen en posiciones fijas y no pueden desplazarse para cambiar de posición. Sin embargo, al agregar energía en forma de calor, la energía interna de las moléculas se incrementa y esto a su vez genera mayor movimiento molecular. 

Los modelos que describen los estados sólido, líquido y gaseoso nos indican que las moléculas incrementan su movimiento debido a la cantidad de energía transferida en forma de calor a una sustancia. Así, su movimiento debilita las fuerzas intermoleculares permitiendo que pasen de un estado a otro incrementando su movimiento.

La entalpía es otro concepto importante en termodinámica. Esta es una propiedad que resulta de combinar la energía interna y el producto de la presión con el volumen del sistema. Así, la cantidad de calor involucrada en un proceso isobárico es una función del estado termodinámico cuya definición matemática corresponde a la energía interna del sistema más el producto de la presión por el volumen. La entalpía no se puede medir para un estado particular del sistema, como ocurre con la temperatura o el volumen. Sin embargo, podemos medir los cambios de entalpía que experimenta el sistema; lo cual nos indica la dirección en que fluye la energía desde o hacia el sistema. Cuando el cambio de entalpía es positivo, el proceso será endotérmico, es decir, se le agregó energía al sistema en forma de calor. Cuando el cambio de entalpía es negativo, significa que el sistema perdió energía en forma de calor y decimos que se trata de un proceso exotérmico.

Otro concepto importante en termodinámica es la entropía. Esta forma de energía se definió durante mucho tiempo como el grado de desorden de un sistema a partir de las leyes de la termodinámica; particularmente, la segunda ley enunciada por Clausius. Así, entropía es una cantidad que mide la relación entre la energía calorífica y la temperatura; es decir, cuánta cantidad de energía es útil para realizar trabajo. Sin embargo, en la actualidad sabemos que esta propiedad está más relacionada con la aleatoriedad de un proceso que con el desorden de este ya que nos indica la dirección en que un proceso puede llevarse a cabo. Por ejemplo, cuando mezclamos café con leche podemos observar cómo se combinan, pero no podemos llevar a cabo el proceso opuesto. 

Los conceptos termodinámicos son de gran relevancia en aplicaciones prácticas ya que nos permiten conocer la demanda energética de los procesos, así como la viabilidad y dirección en que se pueden llevar a cabo. Entonces, son de suma importancia en los procesos industriales de transformación, así como en diferentes áreas de nuestra vida diaria por lo que se hace una invitación a conocer más de los mismos.

Referencias 

Cengel, Y. A. (2019). Termodinámica (9th ed.). McGraw-Hill Interamericana. https://upaep.vitalsource.com/books/9781456269791

Smith, J., Van Ness, H. C., & Abbott, M. M. (2007). Introducción a la termodinámica en ingeniería química (1a. ed.). McGraw-Hill Interamericana.

Vlog, D. un [@dateunvlog]. (2020, febrero 23). HOY SÍ que vas a entender la ENTROPÍA. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=ttjM-dMPddY