Termodinámica
La
termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los
procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo.
Sabemos
que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por
medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un
segundo cuerpo que está a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante
al trabajo.
El
calor se define como una transferencia de energía debida a una diferencia de
temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energía que no se
debe a una diferencia de temperatura.
Al
hablar de termodinámica, con frecuencia se usa el término "sistema".
Por sistema se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos
considerar. El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se
conoce como su "ambiente". Se consideran varios tipos de sistemas. En
un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas
abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si
no pasa energía en cualquiera de sus formas por sus fronteras.
Previo
a profundizar en este tema de la termodinámica, es imprescindible establecer
una clara distinción entre tres conceptos básicos: temperatura, calor y energía
interna. Como ejemplo ilustrativo, es conveniente recurrir a la teoría cinética
de los gases, en que éstos sabemos están constituidos por numerosísimas
moléculas en permanente choque entre sí.
La
temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas
individuales. El calor es una transferencia de energía, como energía térmica,
de un objeto a otro debida a una diferencia de temperatura.
La
energía interna (o térmica) es la energía total de todas las moléculas del
objeto, o sea incluye energía cinética de traslación, rotación y vibración de
las moléculas, energía potencial en moléculas y energía potencial entre
moléculas. Para mayor claridad, imaginemos dos barras calientes de un mismo
material de igual masa y temperatura. Entre las dos tienen el doble de la
energía interna respecto de una sola barra. Notemos que el flujo de calor entre
dos objetos depende de sus temperaturas y no de cuánta energía térmica o
interna tiene cada uno. El flujo de calor es siempre desde el objeto a mayor
temperatura hacia el objeto a menor temperatura.
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
con menor temperatura con otro con mayor temperatura, 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, aun 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.
Ejemplos:
1. Si dos cuerpos están en contacto térmico por un tiempo suficientemente largo, llega un momento en que no hay mas cambios observables - se dice entonces que "están en equilibrio térmico".
2. Si dos sistemas (cada uno por separado) están en equilibrio térmico con un tercero, esos dos están en equilibrio térmico entre sí.
3. Esos tres sistemas tienen una propiedad en común - es lo que se llama "temperatura".
El principio 0 de la termodinámica simplemente dice que existe algo llamado temperatura, que es lo que tienen en común todos los sistemas que están mutuamente en equilibrio térmico.
Es la base de los termómetros. Por ejemplo, un termómetro de mercurio (los que normalmente se usan para tomar la fiebre) no mide "de verdad" la temperatura del cuerpo; lo que se mide verdaderamente es la dilatación del mercurio. Esa dilatación del mercurio es proporcional a la temperatura del mercurio. La temperatura del mercurio es igual a la temperatura de la base del termómetro. Y la temperatura del termómetro es la misma que la temperatura del paciente, una vez que uno espera lo suficiente hasta que estén en equilibrio térmico. Por eso para leer la temperatura hay que esperar un rato después de ponerle el termómetro al paciente.
Lo mismo pasa en un horno. Cuando uno pone una torta en el horno, luego de un rato, la torta y el horno llegan al equilibrio térmico, y la torta tiene la misma temperatura del horno.
¿Y como se cual es? Mirando el termómetro del horno, donde lo que mido es el angulo de giro de la aguja. Y ese angulo de la aguja depende de la dilatación de un resorte de metal. Y esa dilatación es proporcional a la temperatura del resorte. Y la temperatura del resorte es igual a la del horno - una vez que paso suficiente tiempo y están en equilibrio térmico.
Conceptos:
Ejercicios:
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.
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
(véase criterio de signos termodinámico).
Ejemplo:
Actividad:
1.- ¿Cuál es el incremento
en la energía interna de un sistema si se le suministran 700 calorías de calor
y se le aplica un trabajo de 900 Joules?
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 a 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.
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Ilustración de la segunda ley
mediante una máquina térmica
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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.
Experimento:
Problemas:
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. 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 microscópicos, 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.
Experimento:
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