Leyes de la Termodinámica

Leyes de la Termodinámica

Valencia, noviembre de 2009

Introducción

La Termodinámica es el estudio de las propiedades de sistemas de gran escala en equilibrio en

las que la temperatura es una variable importante.

Varios términos que hemos usado aquí: sistemas, equilibrio y temperatura serán definidos rigurosamente

más adelante, pero mientras tanto bastará con su significado habitual.

En la Termodinámica hay dos leyes básicas, y ambas se pueden enunciar de modo de negar la

posibilidad de ciertos procesos.

La Primera Ley establece que es imposible un proceso cíclico en el cual una máquina produzca

trabajo sin que tenga lugar otro efecto externo, es decir niega la posibilidad de lo que se suele

llamar “máquina de movimiento perpetuo de primera especie”.

La Segunda Ley no se puede enunciar de modo tan preciso como la primera sin una discusión

previa. Sin embargo, hecha la salvedad que ciertas definiciones se deben dar todavía, podemos

decir que la Segunda Ley establece que es imposible un proceso cíclico en el cual una máquina

realice trabajo intercambiando calor con una única fuente térmica. Una tal máquina (inexistente)

sería una “máquina de movimiento perpetuo de segunda especie”.

Por ahora ninguna de estas formulaciones tiene una forma útil, y las trataremos en detalle solamente

después de haber presentado las definiciones rigurosas de los conceptos necesarios.

Un problema típico entre aquellos que se tratan en Termodinámica

consiste en calcular un conjunto

de propiedades de un sistema a partir de otro conjunto de propiedades, y como consecuencia

de la imposibilidad de los procesos de movimiento perpetuo que acabamos de mencionar.

Muy raramente se resuelven estos problemas mediante el método (directo pero engorroso) de

construir mentalmente hipotéticas máquinas de movimiento perpetuo. En cambio se suelen usar

procedimientos matemáticos abstractos que se obtienen de una vez por todas y luego se utilizan

para resolver los problemas. Estos procedimientos indirectos son muy eficientes, pero no hay

que olvidar que su fundamento reside en las dos leyes básicas.

Termodinámica

Es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de la temperatura, presión y volumen de los sistemas a un nivel microscópico. También podemos decir que la termodinámica nace para explicar los procesos de intercambio de masa y energía térmica entre sistemas térmicos diferentes

Primera ley de la termodinámica

Permítase que un sistema cambie de un estado inicial de equilibrio, a un estado final de equilibrio, en un camino determinado, siendo el calor absorbido por el sistema y el trabajo hecho por el sistema. Después calculamos el valor de. A continuación cambiamos el sistema desde el mismo estado hasta el estado final, pero en esta ocasión por u n camino diferente. Lo hacemos esto una y otra vez, usando diferentes caminos en cada caso. Encontramos que en todos los intentos es la misma. Esto es, aunque y separadamente dependen del camino

tomado, no depende, en lo absoluto, de cómo pasamos el sistema del estado al estado, sino solo de los estados inicial y final (de equilibrio).

Del estudio de la mecánica recordará, que cuando un objeto se mueve de un punto inicial a otro final, en un campo gravitacional en ausencia de fricción, el trabajo hecho depende solo de las posiciones de los puntos y no, en absoluto, de la trayectoria por la que el cuerpo se mueve. De esto concluimos que hay una energía potencial, función de las coordenadas espaciales del cuerpo, cuyo valor final menos su valor inicial, es igual al trabajo hecho al desplazar el cuerpo. Ahora, en la termodinámica, encontramos experimentalmente, que cuando en un sistema ha cambiado su estado al, la cantidad dependen solo de las coordenadas inicial y final y no, en absoluto, del camino tomado entre estos puntos extremos. Concluimos que hay una función de las coordenadas termodinámicas, cuyo valor final, menos su valor inicial es igual al cambio en el proceso. A esta función le llamamos función de la energía interna.

Representemos la función de la energía interna por la letra. Entonces la energía interna del sistema en el estado, es solo el cambio de energía interna del sistema, y esta cantidad tiene un valor determinado independientemente de la forma en que el sistema pasa del estado al estado f: Tenemos entonces que:

Como sucede para la energía potencial, también para que la energía interna, lo que importa es su cambio. Si se escoge un valor arbitrario para la energía interna

en un sistema patrón de referencia, su valor en cualquier otro estado puede recibir un valor determinado. Esta ecuación se conoce como la primera ley de la termodinámica, al aplicarla debemos recordar que se considera positiva cuando el calor entra al sistema y que será positivo cuando el trabajo lo hace el sistema.

A la función interna, se puede ver como muy abstracta en este momento. En realidad, la termodinámica clásica no ofrece una explicación para ella, además que es una función de estado que cambia en una forma predecible. (Por función del estado, queremos decir, que exactamente, que su valor depende solo del estado físico del material: su constitución, presión, temperatura y volumen.) La primera ley de la termodinámica, se convierte entonces en un enunciado de la ley de la conservación de la energía para los sistemas termodinámicos.

La energía total de un sistema de partículas, cambia en una cantidad exactamente igual a la cantidad que se le agrega al sistema, menos la cantidad que se le quita.

Podrá parecer extraño que consideremos que sea positiva cuando el calor entra al sistema y que sea positivo cuando la energía sale del sistema como trabajo. Se llegó

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