3.1. TERMDINAMICA
Es una rama de la física que se encarga de explicar
los efectos que se dan a nivel macroscópico en la temperatura, presión,
densidad, masa y volumen en cada sistema siguiendo un método experimental. Pero
que abarca campos muy diversos como la ingeniería, biología, química, medicina
y muchos otros.
El estado de equilibrio es una serie de conceptos
básicos que nos ayudan en el entendimiento de la termodinámica y estos pueden
definirse como sucesos dinámico que tiene lugar en un sistema que no cambia su
temperatura y presión.
La termodinámica en el campo de la fenomenología no
da una explicación física de sus
magnitudes.
Con herramientas termodinámicas, esta ciencia
explica como los sistemas actúan cuando suceden cambios en su entorno.
3.2. LEYES DE LA TERMODINAMICA
· 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».
· 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 ni 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 (véase criterio de signos termodinámico).
· 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.
· 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 postulado15 . 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 válidos 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.
En resumen:
-Principio
cero de la termodinámica: se entiende que la transitividad
nos permite ejecutar las mediciones de temperatura.
-Primera ley
de la termodinámica: también llamada ley de la conservación de la energía
termodinámica, indica que si se ejecuta un trabajo en un sistema o hay un
intercambio de calor con otro, la energía del sistema se altera.
-Segunda ley
de la termodinámica: direcciona los procesos termodinámicos demostrando que
no pueden suceder de manera contraria. En algunas circunstancias no permite que
ocurra un cambio de energía completamente a otro sin que ocurran perdidas.
Entropía.
-Tercera
ley de la termodinámica: postulado de WaltherNernst, no se
puede obtener una temperatura de cero absolutos mediante un número límite de
procesos físicos.
Estas leyes se aplican en sistemas macroscópicos
pero no en sistemas microscópicos.
Sistema: zona del espacio delimitado por un
observador.
Alrededor: se considera todo aquello que no conforme
el sistema.
Frontera:
delimitaciones físicas o imaginarias.
Los sistemas a su vez pueden ser:
-Abiertos: es cuando se permite el cambio de materia
mediante sus fronteras. Ej. Un ser viviente.
-Cerrados: aquel donde no se produce cambio de
materia sus en fronteras. No percibe influencias del medio ambiente. Ej. Helio
que se contiene en un globo y se caliente por la radiación solar.
-Asilados: cuando no hay canje de energía ni masa
con los alrededores.
Variables
termodinámicas:
·
Relación interna con el sistema.
·
Masa
·
Volumen
·
Densidad
·
Presión
·
Temperatura
Procesos termodinámicos:
Son términos que se
usan para describir los cambios que
suceden en un sistema.
Procesos isoentrópicos: procesos adiabáticos y reversibles. Procesos
en los que la entropía no varía.
No hay comentarios:
Publicar un comentario