LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Si se ponen en contacto un recipiente de agua hirviendo y un plato con hielo, el agua se

enfría y el hielo se calienta. Hay un intercambio de calor entre el agua hirviendo y el hielo,
y pasa más calor del agua al hielo que del hielo al agua.

Es decir: el calor siempre va “cuesta abajo”, desde el objeto más caliente al objeto más
frío. No es posible que el calor vaya “cuesta arriba” por sí mismo; por ejemplo, de un
objeto frío a otro caliente. Esta afirmación es una de las muchas maneras de enunciar el
segundo principio de la termodinámica.
La termodinámica es una rama de la física, que se ocupa de las cantidades de calor que
van de un lugar a otro, y de la transformación de la energía calorífica en otras formas de
energía. El principio (ley) cero de la termodinámica define la significación de la
temperatura. El primer principio establece que si tenemos una cierta cantidad de calor,
podemos convertirla en otra forma de energía; pero, hagamos lo .que hagamos, no
podemos conseguir que desaparezca. Cuando en dos objetos a distinta temperatura existe
una cierta cantidad de energía, el segundo principio rige la dirección del flujo de energía
calorífica de un objeto a otro.
La termodinámica abarca, fundamentalmente, una serie de desarrollos matemáticos, y
existen muchas otras maneras matemáticas de definir el segundo principio de la
termodinámica. Sin embargo, todas ellas se resumen, diciendo, simplemente, que es
imposible que el calor, por sí solo, vaya “cuesta arriba”.
En un refrigerador doméstico se hace que el calor vaya “cuesta arriba”. Para ello, debe
absorberse calor del congelador, que es el lugar más frío del refrigerador. Se extrae de un
lugar frío y se cede a un lugar más caliente: el aire que rodea al refrigerador. Pero el calor
no puede hacer esto por sí solo.
En muchos de ellos (los de compresor), el movimiento “cuesta arriba” del calor, del objeto
frío al caliente, es ayudado por un motor eléctrico, mientras que el calor en sí es
transportado por el vapor, en tubos. Por lo tanto, se usa energía (por el motor) para
transferir el calor. Se hace que el vapor se condense, y entonces se lo expansiona
bruscamente.
Al expansionarse, se enfría hasta que su temperatura queda por debajo de la parte más
helada del congelador. Solamente así se puede extraer calor de éste, pues, de acuerdo con
el segundo principio, el calor sólo puede pasar a un objeto más frío. Después, el motor
comprime el gas, su temperatura sube nuevamente, y de esta forma puede ceder su calor
al aire exterior. Luego, el gas se expansiona, se enfría, y todo el ciclo se repite
continuamente.
Sería mucho más fácil fabricar refrigeradores, si el segundo principio de la termodinámica
fuese falso. Si, por ejemplo, el calor pudiese ir, por sí solo, desde el plato con hielo al
recipiente de agua hirviendo, el hielo se enfriaría más y el agua herviría con mayor
intensidad. El calor extraído al hielo podría aprovecharse para hervir el agua. Los
refrigeradores no necesitarían motores ni circulación de líquidos. Desgraciadamente, esto
no ocurre, y esa imposibilidad es la mejor prueba en apoyo del segundo principio de la
termodinámica.

LA TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

A Fahrenheit no le gustaba la idea de tener que operar con temperaturas negativas. Por
eso, al idear su escala de temperaturas, quiso asegurarse de que nunca encontraría una
temperatura negativa. Fijó como punto cero de la escala, 0°F, la temperatura de la
sustancia más fría entonces conocida, una mezcla frigorífica de hielo y sal. Sin embargo,
hace tiempo que esta ventaja en la escala Fahrenheit ha desaparecido. Se han
desarrollado métodos que permiten alcanzar temperaturas mucho más bajas, que son
temperaturas negativas en la escala Fahrenheit.
El método principal consiste en enfriar un gas, comprimirlo y luego dejarlo expandir de
repente. En estas condiciones, muchos gases se enfrían considerablemente. Por medio de
algunos sólidos, todavía pueden alcanzarse temperaturas más bajas, enfriándolos
mientras se encuentran en un fuerte campo magnético. Cuando se suprime el campo, la
temperatura del sólido desciende aún más.
Hay, sin embargo, un límite perfectamente definido para el enfriamiento alcanzado en
estos procesos. Existe un cero natural de temperatura, el cero absoluto, que es
definitivamente la temperatura más baja posible. Mientras que la “temperatura más fría
posible” de Fahrenheit no duró mucho tiempo como tal, en cambio no hay probabilidad
alguna de alcanzar nada más frío que el cero absoluto.
Parecía evidente a los científicos, al observar el comportamiento de los gases sometidos a
enfriamiento, que debía existir un cero absoluto. En efecto, comprimieron los gases
enfriados. Se midió la velocidad de compresión y se llegó a la conclusión de que, si pudiera
continuarse el enfriamiento por debajo de —460°F (—273° en la escala centígrada), el
volumen del gas habría quedado reducido a nada. ¡Evidentemente, sería imposible lograr
un gas más frío que el cero absoluto, donde ocuparía un espacio negativo!
Si bien se reconoció como cosa imposible alcanzar una temperatura más baja que el cero
absoluto, persistía todavía el problema: ¿Era incluso posible alcanzar el cero absoluto
mismo? Y aunque actualmente los científicos están a unas cuantas millonésimas de grado
de alcanzarlo, es bien sabido que, realmente, jamás lograrán conseguirlo. Esta afirmación
es una de las maneras de enunciar la tercera ley de la termodinámica: “Por mucho que
tratemos de enfriar una cosa, es imposible enfriarla por debajo del cero absoluto.”
Los científicos han constatado que cuanto más fría está una sustancia, tanto más difícil es
conseguir nuevos enfriamientos. Aislar la sustancia y protegerla del calor del laboratorio
es prácticamente imposible. Las sustancias a bajas temperaturas, invariablemente, se
guardan en recipientes de vacío especialmente diseñados. Pero no es ésta la razón
principal de que no pueda alcanzarse la mínima temperatura posible.
El único método de enfriamiento adecuado es, por consiguiente, aquél en que se enfría
una clase especial de cristal hasta pocos grados del cero absoluto, con helio líquido. Al
mismo tiempo, el cristal se mantiene en el campo magnético de un grande y potente
electroimán. El helio líquido se quita, el cristal se aísla por completo y el campo magnético
se desconecta lentamente. Tienen lugar cambios en la manera en que los átomos están
dispuestos en el cristal, y el resultado es un descenso de la temperatura. Teóricamente,
entonces sería posible usar este cristal enfriado para, a su vez, enfriar otro cristal, y repetir
el proceso de magnetización y desmagnetización sucesivamente, llegando cada vez más
cerca del cero absoluto.
Desgraciadamente, sucede que, al bajar la temperatura, este descenso se vuelve cada vez
más pequeño, de forma que para un cristal de temperatura muy cercana al cero absoluto,
el descenso de ésta llega a ser infinitamente pequeño. Por muchas veces que los cristales
sean sucesivamente enfriados, los descensos de temperatura son tan minúsculos, que el
cristal nunca alcanzará el cero absoluto.

Segunda ley de la termodinámica:

El segundo principio de la termodinámica, también conocido como segunda ley de la

termodinámica, establece que “la cantidad de entropía del universo tiende a
incrementarse en el tiempo“. Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo
los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido
contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a
concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la
imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas.
De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que
hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el primer principio. Esta
ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada
entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni
energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.
La segunda ley de la termodinámica es una de las leyes más importantes de la física; aún
pudiéndose formular de muchas maneras todas llevan a la explicación del concepto de
irreversibilidad y al de entropía. Este último concepto, cuando es tratado por otras ramas
de la física, sobre todo por la mecánica estadística y la teoría de la información, queda
ligado al grado de desorden de la materia y la energía de un sistema. La termodinámica,
por su parte, no ofrece una explicación física de la entropía, que queda asociada a la
cantidad de energía no utilizable de un sistema. Sin embargo, esta interpretación
meramente fenomenológica de la entropía es totalmente consistente con sus
interpretaciones estadísticas. Así, tendrá más entropía el agua en estado gaseoso con sus
moléculas dispersas y alejadas unas de las otras que la misma en estado líquido con sus
moléculas más juntas y más ordenadas.

El segundo principio de la termodinámica dictamina que si bien la materia y la energía no

se pueden crear ni destruir, sí que se transforman, y establece el sentido en el que se
produce dicha transformación. Sin embargo, el punto capital del segundo principio es que,
como ocurre con toda la teoría termodinámica, se refiere única y exclusivamente a
estados de equilibrio. Toda definición, corolario o concepto que de él se extraiga sólo
podrá aplicarse a estados de equilibrio, por lo que, formalmente, parámetros tales como
la temperatura o la propia entropía quedarán definidos únicamente para estados de
equilibrio.

Así, según el segundo principio, cuando se tiene un sistema que pasa de un estado de
equilibrio A a otro B, la cantidad de entropía en el estado de equilibrio B será la máxima
posible, e inevitablemente mayor a la del estado de equilibrio A. Evidentemente, el
sistema sólo hará trabajo cuando esté en el tránsito del estado de equilibrio A al B y no
cuando se encuentre en uno de estos estados. Sin embargo, si el sistema era aislado, su
energía y cantidad de materia no han podido variar; si la entropía debe de maximizarse en
cada transición de un estado de equilibrio a otro, y el desorden interno del sistema debe
aumentar, se ve claramente un límite natural: cada vez costará más extraer la misma
cantidad de trabajo, pues según la mecánica estadística el desorden equivalente debe
aumentar exponencialmente.

Aplicado este concepto a un fenómeno de la naturaleza como por ejemplo la vida de las
estrellas, las mismas, al convertir el hidrógeno, su combustible principal, en helio generan
luz y calor. Al fusionar los núcleos de hidrógeno en su interior la estrella libera la energía
suficiente para producirlos a esa intensidad; sin embargo, cuando intenta fusionar los
núcleos de helio no consigue liberar la misma cantidad de energía que obtenía cuando
fusionaba los núcleos de hidrógeno. Cada vez que la estrella fusiona los núcleos de un
elemento obtiene otro que le es más inútil para obtener energía y por ende la estrella
muere, y en ese orden de ideas la materia que deja atrás ya no servirá para generar otra
estrella. Es así como el segundo principio de la termodinámica se ha utilizado para explicar
el fin del universo.
Tercera ley de la termodinámica:

El tercer principio de la termodinámica, también conocido como tercera ley de la

termodinámica y, más adecuadamente como postulado de Nernst, afirma que “no se
puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de procesos físicos“, lo que,
sucintamente, puede definirse como:

Al llegar al cero absoluto, 0 K, cualquier proceso de un sistema físico se detiene.

Al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y constante.
Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado de Nernst (denominado así por
ser propuesto por Walther Nernst) como “la tercera de las leyes de la termodinámica“,
pero es importante reconocer que no es una noción exigida por la termodinámica clásica,
por lo que resulta inapropiado tratarlo de «ley», siendo incluso inconsistente con la
mecánica estadística clásica y necesitando el establecimiento previo de la estadística
cuántica para ser valorado adecuadamente.

La mayor parte de la termodinámica no requiere la utilización de este postulado, que

afirma (como ya se ha visto) que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero
absoluto mediante un número finito de procesos físicos, y que puede formularse también
como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende
a un valor constante específico, siendo la entropía de los sólidos cristalinos puros
considerada como nula bajo temperaturas iguales al cero absoluto. No obstante, debido a
estas dos afirmaciones, la tercera ley provee de un punto de referencia absoluto para la
determinación de la entropía.
Este principio o ley cero establece que existe una determinada propiedad, denominada
temperatura empírica (θ), que es común para todos los estados de equilibrio
termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado. En palabras llanas:
“dos sistemas a distintas temperaturas conectados entre sí evolucionarán hasta que sus
temperaturas se igualen“. Además, establece que “si dos sistemas A y B están en
equilibrio térmico con un tercer sistema C, entonces los sistemas A y B estarán en
equilibrio térmico entre sí“. Este principio tiene una gran importancia experimental,
puesto que permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema,
aunque no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica.

Este principio fundamental, aún siendo ampliamente aceptado, no fue formulado

formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que
recibiese el nombre de principio cero.