Conceptos Fundamentales De Termodinamica

CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LA TERMODINAMICA

Conceptos de la termodinámica.

La termodinámica es la disciplina que dentro de la ciencia madre, la Física, se ocupa del estudio de las relaciones que se establecen entre el calor y el resto de las formas de energía. Entre otras cuestiones la termodinámica se ocupa de analizar los efectos que producen los cambios de magnitudes tales como: la temperatura, la densidad, la presión, la masa, el volumen, en los sistemas y a un nivel macroscópico.

La base sobre la cual se ciernen todos los estudios de la termodinámica es la circulación de la energía y como ésta es capaz de infundir movimiento.

Sistema, límites y alrededores del sistema termodinámico, tipos de sistemas

1.2 Sistemas termodinámicos.

En termodinámica, un sistema es casi cualquier cosa. Se trata de una región del espacio dentro de la cual existen diferentes componentes que interactúan entre sí, intercambiando energía y en ocasiones masa.

Un sistema posee una frontera que lo delimita. Esa frontera puede ser material (las paredes de un recipiente, por ejemplo) o imaginarias (una sección transversal de un tubo de escape abierto, por ejemplo).

La zona del espacio que rodea al sistema y con la cuál éste interactúa mediante intercambios energéticos o materiales se denomina el ambiente o el entorno. El ambiente es la región desde la cual los observadores (que normalmente no forman parte del sistema) hacen las medidas acerca de éste e infieren sus propiedades. A diferencia del sistema, que evoluciona por su interacción con el ambiente, se suele considerar que el ambiente no se ve modificado por esta interacción. Un baño de agua en el que sumerge un cubito de hielo se supone a temperatura constante pese a la fusión del hielo. Si el ambiente estuviera evolucionando como consecuencia de la interacción, lo incluiríamos dentro del sistema y tomaríamos como ambiente una región más externa.

Al conjunto del sistema y el entorno se le denomina el universo. Obsérvese que en termodinámica el universo no es todo el Universo. El cubito de hielo inmerso en una olla con agua es considerado el universo en el estudio de la fusión del hielo.

La frontera de un sistema puede ser:

Fija (las paredes de un recipiente) o móvil (un émbolo o pistón de un motor de explosión).

Permeable a la masa o impermeable a ella: En el primer caso se dice que tenemos un sistema abierto (p.ej. un motor en el que entra combustible por un lado y salen gases por otro) y en el segundo uno cerrado (p.ej. en el circuito de refrigeración de una nevera, el gas freón que circula por los tubos nunca sale al exterior).

Permeable al calor o impermeable a él: Si al poner en contacto el sistema con el ambiente se produce una transferencia de energía debido a la diferencia de temperaturas, se dice que la frontera es diaterma. Si el calor no puede atravesar la frontera se dice que ésta es adiabática

De un sistema cerrado y rodeado por paredes adiabáticas fijas (en el que por tanto no puede entrar ni salir ni masa ni energía), se dice que está aislado.

En un sistema cerrado se suele estudiar lo que se denomina una masa de control, cuya evolución se sigue en el tiempo, aunque ocupe una región variable del espacio. El ejemplo arquetípico es el de un cilindro lleno de gas en el que existe un pistón móvil. El pistón puede comprimir o expandir el gas, cuyo volumen por tanto cambia. La masa de gas contenida en el cilindro, en cambio, permanece constante.

En un sistema abierto se estudia lo que se denomina un volumen de control, usualmente fijo. Se trata de una región del espacio en el interior de la cual está el sistema termodinámico de interés y cuyas paredes pueden ser atravesadas por masa que entra o sale. La frontera del volumen de control podrá tener partes materiales y partes puramente geométricas. Un ejemplo lo tenemos en un calentador de agua doméstico en el cual entra agua fría por un lado del calentador (atravesando una frontera geométrica) fluye por el interior de aparato (con paredes sólidas) y sale, calentada, por el otro extremo (otra frontera inmaterial). En sistemas abiertos son de especial interés los estados de régimen estacionario, en los cuales el fluido entra por un lado y sale por otro lo hace siempre al mismo ritmo, de manera que una “foto” del sistema produce siempre la misma imagen. Los sistemas en régimen estacionario son más sencillos de estudiar ya que tienen bastantes similitudes con los sistemas cerrados.

En esta introducción a la termodinámica nos centraremos casi exclusivamente en los sistemas cerrados, dejando los sistemas abiertos para cursos más avanzados.

Limites.

Un límite del sistema es una superficie cerrada de dos dimensiones real o imaginaria que encierra o delimita el volumen o la región que un sistema termodinámico ocupa, a través del cual cantidades tales como el calor, la masa, o de trabajo puede fluir. En resumen, un límite termodinámico es una división geométrica entre un sistema y su entorno. Topológicamente, por lo general se considera casi o por partes sin problemas homeomórfico con una-dos esferas, debido a que un sistema se considera generalmente como simplemente conectado.

Los límites también pueden ser fijos o móviles. Por ejemplo, en un motor alternativo, un límite fijo significa que el pistón se bloquea en su posición y, como tal, se produce un proceso de volumen constante. En ese mismo motor, una frontera móvil permite que el pistón se mueva dentro y fuera.

Los límites pueden ser reales o imaginarios. Para sistemas cerrados, los límites son reales, mientras que para los límites de sistemas abiertos son a menudo imaginarios. Para los propósitos teóricos, un límite puede ser declarado adiabática, isotérmica, diatérmico, aislante, permeables, semipermeables o materiales físicos-pero real que proporcionan tales propiedades idealizadas no son siempre fácilmente disponible.

Cualquier cosa que pasa a través de la frontera que los efectos de un cambio en la energía interna deben tenerse en cuenta en la ecuación de balance de energía. El volumen puede ser la región que rodea un solo átomo de energía de resonancia, tal como se define en el Max Planck 1900, sino que puede ser un cuerpo de vapor o aire en un motor de vapor, tal como se define en Sadi Carnot 1824, sino que puede ser el cuerpo de un ciclón tropical, como Kerry Emanuel teorizó en 1986 en el campo

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