Termodinámica
La termodinámica (del griego
θερμo, termo, que significa «calor» y δύναμις, dínamis, que significa «fuerza») es
la rama de la física
que describe los estados de equilibrio a nivel
macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos
deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar
y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio son estudiados y
definidos por medio de magnitudes
extensivas tales como la energía
interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por
medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura,
presión
y el potencial químico; otras magnitudes tales como
la imanación,
la fuerza electromotriz y las asociadas con
la mecánica de los medios continuos en general también pueden ser
tratadas por medio de la termodinámica.
La termodinámica ofrece
un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio,7 definidos como aquel estado hacia «el que todo sistema tiende a evolucionar y
caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan
determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente
aplicadas»
Leyes
de la termodinámica
Principio
cero de la termodinámica
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: «Si pones en contacto un objeto
frío con otro caliente, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se
igualan».
Tiene una gran importancia experimental «pues
permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema» pero no
resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica.
El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición
del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a
conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización,
magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x,
y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parámetro cinético, asociado
a nivel microscópico; el cual a su vez está dentro de la físico química y no es
parámetro debido a que a la termodinámica solo le interesa trabajar con un
tiempo inicial y otro final. A dichas variables empíricas (experimentales) de
un sistema se las conoce como coordenadas térmicas y dinámicas del sistema.
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.
Primera
ley de la termodinámica
También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se
realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.
En palabras llanas: "La energía no se crea ni
se destruye: solo se transforma".
Visto de otra forma, esta ley permite definir el
calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar
las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas
adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos
primeros principios de la termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los
científicos de su época, y más tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las
bases de la termodinámica.
La ecuación general de la conservación de la energía
es la siguiente:
Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta
el criterio de
signos termodinámico, queda
de la forma:
Donde U es la energía interna del sistema (aislado),
Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por
el sistema.
Esta última expresión es igual de frecuente encontrarla en la forma ∆U = Q
+ W. Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su
diferencia está en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional.
Segunda
ley de la termodinámica
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.
Debido a esta ley también se tiene que el flujo
espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor
temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.
La aplicación más conocida es la de las máquinas
térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente
o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero
frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo
mecánico obtenido.
Existen numerosos enunciados equivalentes para
definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.
Tercera
ley de la termodinámica
Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado
de Nernst como "la tercera de las leyes de la termodinámica". 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.[15]
El postulado de Nernst, llamado así por ser propuesto por Walther
Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto
mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como
que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía
tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos
puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto.
Es importante remarcar que los principios o leyes de la
termodinámica son válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero
inaplicables a nivel microscópico. La idea del demonio de Maxwell ayuda a comprender los
límites de la segunda ley de la termodinámica jugando con las propiedades
microscópicas de las partículas que componen un gas.
REFERENCIAS:
http://www2.ib.edu.ar/becaib/cd-ib/trabajos/Gobbi.pdf
(EXPERIMENTO)
ARENAS ISLAS ALMA
No hay comentarios.:
Publicar un comentario