La termodinámica, como la mayoría de los conceptos de la ciencia y la física, se describe con mayor exactitud mediante el uso de ecuaciones matemáticas. Sin embargo, explicaciones simples aunque no sean perfectamente exactas, son suficientes para comprender la información necesaria para las experiencias diarias. Este artículo pretende simplificar estos conceptos.

La termodinámica simplemente describe el movimiento del calor. El término termodinámica deriva de la palabra "œthermo", que significa calor, y dinámica, literalmente energía, y se usa para describir el movimiento o cambio de un proceso debido al flujo del calor.

Calor y temperatura son términos muy confundidos o usados en forma similar. Calor es el flujo de energía de un objeto o sistema, hacia otro objeto o sistema. Temperatura es la medición de la energía cinética interna de un objeto. Por ejemplo, una sartén caliente tiene alta temperatura debido a que las moléculas del metal se mueven rápidamente. Cuando se rompe un huevo sobre la sartén, el calor se dirige desde la sartén hacia el huevo. Aunque no se apreciable a simple vista, la temperatura de la sartén tenderá a descender ligeramente a medida que el calor se transfiere hacia el huevo.

La cantidad de calor de un objeto tiene su base en la masa del mismo y en su temperatura. Aunque posean la misma temperatura, una lámina de aluminio no puede almacenar suficiente calor para cocinar un huevo, mientras que una sartén de aluminio, con su mayor masa, puede hacerlo.

El frío es la ausencia de calor

El frío se "œcrea" mediante la quita de calor de un objeto o sistema. El frío no es una sustancia, así como el calor no es una sustancia. Ambos son solo descripciones del movimiento del calor de un lugar a otro.

El calor siempre se mueve de un material caliente hacia otro más frío. Los materiales calientes se enfrían debido a que el calor abandona el material, los materiales fríos se calientan debido a que el calor se mueve hacia ese material.

El calor puede moverse de tres maneras diferentes: por conducción, convección radiación.

Conducción: es la forma más fácil de transportar en forma directa calor de un objeto a otro, cuando ambos se ponen en contacto. Dado que el calor es el flujo de energía, y es impulsada por la diferencia de temperatura entre dos objetos, un pedazo de hierro a 300º y un pedazo de hielo a seco a -110º, ambos quemarían los dedos de una persona debido a que la diferencia de temperatura entre los dedos y el hierro o hielo seco es casi la misma. En el primer caso, el calor sale del hierro hacia el dedo, en el segundo caso, el calor del dedo sale hacia el hielo, pero en ambos casos el flujo de calor es alto. Esto se debe a la gran diferencia de temperatura entre ambos objetos.

Convección: se basa en el movimiento de un fluido para trasferir calor  de un objeto o área hacia otra. Los fluidos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, su densidad disminuye y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.

Radiación: es la transferencia de calor desde una fuente hacia objeto directamente sin usar un medio como el aire o agua. El calor irradiado por el sol derretirá la nieve del camino, incluso en un día frío. La energía irradiada calienta la superficie del camino sin calentar directamente el aire.

En el mundo real, la transferencia de calor implica una mezcla de los tres métodos, con la posible excepción del espacio exterior. El lector podrá preguntarse, ¿Cuál es la temperatura del espacio exterior? La respuesta a esa pregunta se encontrará en la segunda parte de este artículo.

El movimiento del calor de un objeto o área hacia otro, permite la calefacción y el acondicionamiento del aire, como así también la refrigeración y preservación de alimentos.

Definiciones

Estado de la materia. Hay tres estados de la materia: sólido, líquido y gas (plasma es otro estado de la materia, pero va más allá de este artículo).

Un objeto en estado sólido mantendrá su forma (hielo, acero), mientras que un líquido fluirá y tomará la forma de su contenedor (agua, mercurio). Un gas o vapor llenará el volumen que lo contiene (vapor, aire, mercurio).

Los estados de la materia se basan generalmente en la forma de la sustancia a presión y temperatura ambiente. Elementos como el aire se encuentran en estado gaseoso a temperatura ambiente mientras que el agua, cuando es calentada, comenzará a convertirse en vapor o gas.

Puede causar sorpresa que las cosas que nosotros experimentamos como sólidos o líquidos pueden existir en otros estados. Una pequeña gota de mercurio se evapora en un bulbo de luz fluorescente. Incluso un metal sólido como el oro o aluminio, pueden vaporizarse y ser usados para cubrir plásticos u otros materiales. El DVD con el cual se miran películas hogareñas puede estar fabricado con vapor de oro para cubrir su superficie.

Los líquidos, vapores y gases se clasifican como fluidos dado que estos pueden fluir. La electricidad puede ser clasificada como un fluido dado que esta fluye a través de un circuito.

Cambios de estado. Cuando una sustancia cambia de un estado a otro, experimenta un cambio de fase. Por lo tanto, el que se derrite y se transforma en agua es un cambio de fase de sólido a líquido. El agua que se convierte en vapor es un cambio de fase de líquido a vapor. La energía en forma de vapor es necesaria para crear un cambio de fase y es la base de la refrigeración, el aire acondicionado y la calefacción.

BTU (Unidad Térmica Británica) es la cantidad de calor necesario para elevar en un grado Fahrenheit una libra de agua.

Una tonelada de refrigeración es la cantidad de calor necesario para derretir una tonelada de hielo en 24 horas. La cantidad es 12.000 BTU.

Entropía es la medición del desorden de un sistema. A veces definida como la energía de un sistema que no está disponible para realizar un trabajo.

Un sistema disminuye en energía y aumenta en entropía durante un tiempo. El proceso no es reversible.

Las escalas de temperatura son usadas para medir temperatura, no calor directamente.

La escala de grados Fahrenheit se basa en las propiedades del agua. Según esta escala, el agua se congela a 32º F y hierve a 212º F. La escala Fahrenheit se usa en el sistema inglés.

La escala de grados centígrados o Celsius, también se basa en las propiedades del agua. Según esta escala, el agua se congela a 0º C y hierve a 100º C. La escala de grados Celsius y Kelvin son usadas en el sistema métrico o SI.

La escala de grados Kelvin se basa en el cero absoluto. El cero absoluto es cero K. Un grado Kelvin es lo mismo que un grado Celsius. Los grados Kelvin no llevan el signo de grado (º).

Cero absoluto es la temperatura teórica en la cual todo movimiento, incluido el molecular, se detiene. No es físicamente posible alcanzar esta temperatura, sin violar la tercera ley de la termodinámica:

0 Kelvin, -273.15º C, -459.67º F

Las tres leyes de la termodinámica

Tradicionalmente, se usan tres leyes de la termodinámica, pero hay otra más. Se denomina ley de Zeroth y establece, de una manera complicada, que el calor no fluirá entre dos objetos que estén a una misma temperatura. Esto es tan obvio que esta ley es generalmente ignorada, en la práctica. Además, y como para confundir aún más los fundamentos matemáticos de las leyes, es el marco de referencia. Las leyes rigen para sistemas cerrados donde ninguna fuente de energía puede ser introducida desde una fuente externa. Los sistemas abiertos tienen diferentes características. Dado que el universo es considerado como un sistema cerrado, las leyes son válidas.

Las tres leyes en su forma más simple

Primera ley: la energía no puede ser creada ni destruida, pero puede cambiar de forma y ubicación. Por ejemplo, la madera ardiente cambia su energía interna en calor y luz.

Segunda ley: esta ley es la más fácil de comprender y útil en el mundo real, y hace que la refrigeración, el aire acondicionado y la calefacción sean posibles. La energía debe fluir desde un estado mayor a un estado menor. Es decir, el calor siempre fluye desde un objeto caliente hacia otro objeto más frío y no desde el objeto más frío hacia el objeto más caliente.

La segunda ley se aplica en el diario vivir de nuestro mundo, pero en el nivel subatómico la ley es violada constantemente, pero estadísticamente la ley permanece verdadera. Aunque esté más allá de este artículo, el lector interesado encontrará fascinantes teorías en mecánica cuántica.

Tercera ley: a medida que un sistema se aproxima al cero absoluto, la entropía del mismo se acerca a un valor mínimo. El cero absoluto no puede conseguirse en un sistema real, es sólo un límite teórico.