Teorema de Nernst

El teorema de Nernst o postulado de Nernst, como también se le conoce, relaciona la entropía y la temperatura de un sistema físico. Este postulado también es conocido como la tercera ley de la termodinámica, siendo de gran importancia para la ingeniería y las ciencias que estudian la energía. En este artículo definiremos el teorema o postulado de Nernst, conceptos relacionados, como el cero absoluto y la importancia de este postulado para la termodinámica.

Aplicación directa del teorema de Nerst la criogenia para separar oxígeno y nitrógeno

La extracción de oxígeno y nitrógeno por criogenia es una de las aplicaciones más comunes del teorema de Nernst y la tercera ley de la termodinámica. Imagen de ecd

Tabla de contenidos

✔Conceptos básicos

✔Cero absoluto
✔Tercera ley de la termodinámica

✔Definición del teorema o postulado de Nernst

✔Declaración de Nernst-Simon

Conceptos básicos

A continuación, describiremos los conceptos básicos fundamentales para comprender el teorema o postulado de Nernst:

Cero absoluto

El concepto de cero absoluto describe un estado en el cual la entalpía y la entropía de un gas ideal tienen como valor cero, es decir, es un estado en donde la temperatura es tan baja que cesa o casi cesa todo movimiento molecular y térmico de los átomos. Dicha temperatura es el famoso cero Kelvin o -273.15 0C.

En otras palabras, podemos decir que el cero absoluto es un estado con la mínima cantidad de energía posible. Matemáticamente hablando, podemos representar el cero absoluto de la siguiente manera:

Donde:

S: Es la entropía expresada en J/K.
T: Es la temperatura en grados Kelvin.

Tercera ley de la termodinámica

La tercera ley de la termodinámica nos dice que la entropía de un sistema en equilibrio termodinámico se aproxima a cero cuando la temperatura se acerca a cero. También puede describirse de manera inversa:

La temperatura absoluta de una sustancia cristalina pura en equilibrio termodinámico se acerca a cero, cuando la entropía se acerca a cero.

Existe otra forma de postular la tercera ley de la termodinámica, en este caso abordando el comportamiento energético específico de un sistema:

Si el compuesto de dos sistemas termodinámicos constituye un sistema aislado, entonces cualquier intercambio de energía en cualquier forma entre esos dos sistemas, está limitado.

Definición del teorema o postulado de Nernst

Definición del Teorema de Nerst y la tercera ley de la termodinámica. Imagen de slideplayer

El teorema o postulado de Nernst fue desarrollado por Walter Nernst entre los años 1906 y 1912. Dicho teorema establece lo siguiente:

Es imposible para cualquier proceso, sin importar cuan idealizado esté, reducir la temperatura de un sistema al cero absoluto en un número finito de operaciones

Dicho de otra forma, una reacción química entre fases puras cristalinas que ocurren en el cero absoluto, no produce ningún cambio de entropía.

El teorema de Nernst fue utilizado por el físico Max Planck para definir la tercera ley de la termodinámica en términos de entropía y del cero absoluto.

Declaración de Nernst-Simon

Esta declaración de la tercera ley de la termodinámica se refiere a los procesos termodinámicos a temperaturas bajas y fijas, e indica que el cambio de entropía que resulta de cualquier transformación isotérmica reversible de un sistema, tiende a cero según la aproximación a cero de la temperatura, como podemos ver en la siguiente ecuación:

Donde:

ΔS: Variación de entropía del sistema J/K.
T: Temperatura en grados Kelvin.

Importancia del teorema de Nernst y la tercera ley de la termodinámica

La tercera ley de la termodinámica está basada directamente en el teorema de Nernst, y a pesar de que esta ley rara vez se aplica en la vida cotidiana, rige la dinámica atómica y molecular a las temperaturas más bajas que existen. Además de esto, la tercera ley define a los “cristales perfectos”, los cuales, no poseen entropía alguna y sólo pueden ser alcanzados a la temperatura del cero absoluto.

Aplicaciones del teorema de Nernst y la tercera ley de la termodinámica

Las principales aplicaciones para la tercera ley de la termodinámica son los conceptos de caliente y frío y el concepto de transferencia de calor, los cuales, veremos a continuación:

Concepto de caliente y frío

Ejemplo de aplicaciones del Teorema de Nernst

Ejemplo de los conceptos de caliente y frío. Imagen de freepik

El concepto de frío no existe como tal, es cierto que es una experiencia sensorial que se relaciona con las bajas temperaturas, pero no es medible, sino que simplemente representa la ausencia de calor (energía calórica entrante al sistema).

Un ejemplo clásico, es colocar un cubo de hielo en una taza de café caliente. El hielo no “enfría” al café, por el contrario, se fomenta una transferencia de energía del café hacia el hielo, logrando que la temperatura del café disminuya y la del hielo aumente, fundiéndose éste a consecuencia de ello. Este mismo concepto de “frío” se aplica al concepto de “caliente”.

Concepto de transferencia de calor

Para que exista la transferencia de calor (transferencia de energía calórica), debe existir una diferencia de temperatura entre dos puntos. Si esta diferencia de temperaturas no existe, no habrá transferencia de calor. Recordando el ejemplo anterior del cubo de hielo en la taza de café, se observa una variación de temperatura entre el café y el hielo, lo que provoca que las moléculas de café liberen energía hacia el hielo que se encuentra a una temperatura más baja, para buscar un equilibrio termodinámico.

La transferencia de calor puede darse de tres métodos diferentes: La conducción (colisiones de moléculas sucesivas), la convección (movimiento de fluido caliente de un lado a otro) y la radiación (por medio de ondas electromagnéticas).