Termodinámica

Termodinámica, campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como sus intercambios energéticos. Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería.

Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico se puede describir mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables de estado. Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables termodinámicas (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de dilatación), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Todas estas variables se pueden clasificar en dos grandes grupos: las variables extensivas, que dependen de la cantidad de materia del sistema, y las variables intensivas, independientes de la cantidad de materia.

Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos.

Ley cero de la termodinámica

Considérense ahora dos objetos, A y B, que no están en contacto térmico uno con otro, y un tercer objeto, C, que actúa como termómetro. Se busca determinar si A y B estarían en equilibrio térmico uno respecto al otro una vez colocados en contacto térmico. El termómetro, objeto C, se pone primero en contacto térmico con A hasta que se alcanza el equilibrio térmico. En ese punto, la lectura del termómetro permanece constante y se anota su valor. A continuación, el termómetro se pone en contacto con B, y su lectura se registra después que se alcanza el equilibrio térmico. si las dos lecturas son iguales, entonces A y B también estarán en equilibrio térmico entre sí cuando se pongan en contacto térmico.

Podemos resumir estos resultados en un enunciado que se conoce como la ley cero de la termodinámica.

"Si los cuerpos A y B, por separado, están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo C, entonces A y B estarán en equilibrio térmico uno con otro si se ponen en contacto térmico".

Temperatura Absoluta

La escala absoluta o termodinámica utiliza como unidad de medida de temperatura el kelvin (K), cuyo valor coincide exactamente con el de 1 °C, ya que el intervalo entre los puntos fijos también se divide en 100 unidades. Sin embargo, se asigna el valor 273 al punto de fusión del hielo y, por tanto, el valor 373 al punto de ebullición del agua. En consecuencia, la relación entre la temperatura medida en Kelvin y la medida en grados centígrados es la siguiente:

T (K) = t (°C) + 273

es decir, se trata de la misma escala que la centígrada pero desplazada hacia abajo en 273 unidades.

La importancia de la escala absoluta radica en que es posible demostrar que el cero absoluto de temperatura se corresponde con la ausencia total de energía cinética interna del cuerpo considerado, es decir, con la inmovilidad total de sus partículas.

Primera ley de la termodinámica

Supóngase que un sistema experimenta un cambio de un estado inicial a un estado final. Durante este cambio, Q positivo es el calor transferido al sistema, y W positivo es el trabajo realizado por el sistema.

Si se mide la cantidad Q-W para diversas trayectorias que conectan los estados de equilibrio inicial y final, se encuentra que es la misma para todas las trayectorias que conectan los estados inicial y final del sistema, y se le denomina el cambio de energía interna del sistema. Aunque tanto Q como W dependen de la trayectoria, Q-W es independiente de la misma. Si representamos la función de energía interna son la letra U, entonces el cambio de energía interna, ΔU=Uf-Ui, se puede expresar como:

ΔU=Uf-Ui=Q-W

donde todas las cantidades deben tener las mismas unidades de energía. La ecuación se conoce como la primera ley de la termodinámica, y se aplica de manera universal en todos los sistemas.

Energia

Es la capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella.La energía asociada al movimiento se conoce como energía cinética, mientras que la relacionada con la posición es la energía potencial.La energía se manifiesta en varias formas, entre ellas la energía mecánica, térmica, química, eléctrica, radiante o atómica.Todas las formas de energía pueden convertirse en otras formas mediante los procesos adecuados. En el proceso de transformación puede perderse o ganarse una forma de energía, pero la suma total permanece constante.

Calor

Es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.

Trabajo Termodinámico

Es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro sin una transferencia de acompañamiento de la entropía. En una generalización del concepto de trabajo mecánico. En el Si, el trabajo de mide en Joules