Conceptos fundamentales y la ley cero de la termodinámica

1.- CONCEPTOS FUNDAMENTALES Y LA LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA.

Introducción

La termodinámica es una rama tanto de la Física como de la Química, que comprende el estudio de las transformaciones energéticas y de las relaciones entre las propiedades físicas d las sustancias afectadas por dichas transformaciones.

Las propiedades termodinámicas y las relaciones energéticas se pueden estudiar por dos métodos: La termodinámica clásica implica estudios llevados a cabo sin recurrir a la naturaleza de las partículas individuales que constituyen una sustancia, ni a sus interacciones. Aquí se estudia en un punto de vista microscópico de la materia, y no requiere de ninguna hipótesis sobre la estructura detallada de la materia a escala atómica; las leyes generales se basan en medidas microscópicas y no están sujetas a cambios a medida que se avanza en el conocimiento de la naturaleza de la materia. Así mismo existe un segundo método denominado termodinámica estadística, se basa en el comportamiento estadístico de grandes grupos de partículas individuales. Este es el punto de vista microscópica de la materia.

Sistema, propiedad y estado.

Un sistema termodinámico es una región del espacio tridimensional o una cantidad de materia delimitada por una superficie arbitraria. La frontera puede ser real o imaginaria, puede hallarse en reposo o en movimiento, y puede variar de tamaño o de forma. La región del espacio físico que queda fuera de las fronteras elegidas arbitrariamente recibe el nombre de entorno o medio ambiente. Un sistema abierto es aquel en el que tanto la masa como la energía pueden atravesar las fronteras elegidas, la región del espacio descrita es llamada volumen de control, se analizara como sistema abierto. La frontera del volumen de control se denomina superficie de control.

Un sistema cerrado o una masa de control es un sistema en el que la masa no atraviesa la frontera. Aunque la cantidad de materia es fija en un sistema cerrado, la energía puede atravesar sus fronteras. Cuando ni la masa ni la energía atraviesan la frontera, el sistema se conoce como sistema aislado. Y un sistema puede contener varias fases dentro de su frontera. Una fase es una cantidad de materia homogénea en cuanto a su estructura física y a su composición química. Una estructura física homogénea requiere que la sustancia sea toda gas, toda liquida o toda sólida. Los sistemas pueden constar de dos fases, como la liquida y la gaseosa, de modo que las dos fases estén separadas por una frontera interna entre fases. La homogeneidad en composición química, por otra parte, no exige una única especie química.

Una sustancia pura es una sustancia con estructura química única (atómica o molecular). Una propiedad es una característica de un sistema, y su valor es independiente de la historia del sistema. Las propiedades se dividen en extensivas o intensivas. Una propiedad es extensiva si su valor para todo el sistema es la suma de los valores de los distintos subsistemas o partes. Las propiedades intensivas tiene valores independientes del tamaño o de la cantidad de masa del sistema, (la temperatura, la presión, la densidad, la velocidad y la concentración química son ejemplos de propiedades intensivas). Se denomina propiedad específica cuando una propiedad extensiva Y del sistema global se divide por la masa m del mismo; una propiedad específica es una propiedad intensiva.

El estado de un sistema es la condición del sistema descrita por el valor de sus propiedades, el estado de un sistema se puede especificar mediante o identificar por los valores de unas pocas de sus propiedades únicamente.

Un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico si no es capaz de experimentar un cambio finito, espontaneo, hasta otro estado sin un cambio finito del estado de su medio ambiente, un sistema de equilibrio estable no puede cambiar su estado sin una interacción con su medio ambiente. El equilibrio térmico requiere que la temperatura sea uniforme en todo el sistema. En ausencia de un efecto gravitatorio, el equilibrio mecánico implica igualdad de fuerzas en todos los puntos. El equilibrio de fases hace referencia a la ausencia de cualquier transferencia neta de una o más especies químicas de una fase a otra en un sistema multifásico. Una mezcla de sustancias se encuentra en equilibrio químico si no hay tendencia neta a que tenga lugar ninguna reacción química.

Un proceso es un cambio de un sistema de un estado de equilibrio a otro. El camino de un proceso hace referencia a la serie concreta de estados por los que pasa el sistema. La descripción completa de un proceso consiste en la especificación de los estados de equilibrio inicial y final, el camino y las interacciones que tiene lugar atravesó de las fronteras durante el proceso.

Un proceso isotérmico es el que tiene lugar a la temperatura constante, un proceso isobaro tiene lugar a presión constante y un proceso isotérmico transcurre a volumen constante. Un proceso cíclico o ciclo, es un proceso en el que los estados extremos son idénticos; el cambio del valor de cualquier propiedad en un proceso cíclico es cero.

Densidad, volumen específico y densidad relativa.

Densidad ρ se define como la masa por unidad de volumen:

ρ= masa/(volume ) m/V

Densidad relativa de una sustancia es el coeficiente entre su densidad y la del agua a una temperatura dada y una atmósfera:

densida relativa= ρ/ρ_H2O

volumen especifico de una sustancia es el volumen por unidad de masa, es el inverso de la densidad:

v=(volumen )/masa= V/m=1/ρ

Peso especifico de una sustancia es el peso por

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