Resumen de termodinamica. Sistema Termodinamico: Todo sistema macroscopico

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Resumen de Termodin ́amica

Rodrigo Medina A.

Centro de F ́ısica - IVIC Departamento de F ́ısica - USB

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Introducci ́on

El objetivo de este escrito es presentar los conceptos fundamentales de la Termodin ́amica en su forma tradicional, para que sirva como complemento de un curso de Termodin ́amica o como introducci ́on a un curso de Mec ́anica Estad ́ıstica. No pretende ser un curso completo de Termodinmica. Faltan totalmente las referencias a los experimentos, la calorimetr ́ıa, la termometr ́ıa, los ejemplos, etc. La idea es presentar de la manera m ́as precisa y concisa posible las definiciones de los conceptos, las leyes y los razonamientos, que frecuentemente no aparecen con precisi ́on en muchos textos.

Parte A: 1a Ley

DEFINICIONES

Sistema Termodin ́amico: Todo sistema macrosc ́opico.

Sistema Aislado: Sin interacciones con el resto del universo.

Par ́ametros Termodin ́amicos: Toda magnitud f ́ısica macrosc ́opica caracter ́ıstica del sis- tema.

Par ́ametros Extensivos: Son proporcionales a la cantidad de materia. Ejemplos: Energ ́ıa, volumen, masa, etc.

Par ́ametros Intensivos: No dependen de la cantidad de materia. Ejemplos: Presi ́on, temperatura, densidades, concentraciones, etc.

Macroestado o Estado Macrosc ́opico: Un valor determinado para cada uno de los par ́ametros termodin ́amicos.

Estados Estacionarios: Son estados que no cambian en el tiempo bajo condiciones externas constantes.

Tiempo de Relajaci ́on: Tiempo necesario para que un sistema llegue a un estado estacio- nario. Usualmente el tiempo de relajaci ́on crece con el taman ̃o del sistema. Para los sistemas muy grandes el tiempo de relaci ́on puede ser mayor que la edad del universo, o sea que esos sistemas nunca llegan a un estado estacionario.

Usualmente se asume que los sistemas en condiciones externas estacionarias tienden a un estado estacionario. Este aserci ́on es independiente de las cuatro leyes tradicionales de la Termodin ́amica, por lo que podr ́ıamos considerarla como la ley “-1”.

Transformacio ́n Termodin ́amica: Todo cambio en el macroestado del sistema. 2

Transformacio ́n Quasi-est ́atica: Son transformaciones en las que las condiciones externas var ́ıan tan lentamente que el sistema puede ser considerado en un estado estacionario en cada instante.

Transformacio ́n Reversible.

Se llama reversible toda transformaci ́on tal que el sistema retroceda su historia en el tiempo cuando las condiciones externas retroceden en el tiempo. Toda transformaci ́on re- versible debe ser quasi-est ́atica.

Energ ́ıa Mec ́anica Macrosc ́opica: Es la parte de la energ ́ıa del sistema que depende del movimiento y de la posici ́on de sus partes macrosc ́opicas.

Energ ́ıa Interna: La parte (U) de la energ ́ıa del sistema que no es macrosc ́opica. E = Emec + U

Usualmente en el estudio de la termodin ́amica se considera transformaciones que no cambian la energ ́ıa mec ́anica (∆Emec = 0).

Traba jo.

En termodin ́amica se denomina “trabajo” (W) hecho por el sistema durante una trans- formaci ́on, a la parte de ese trabajo, que es observable macrosc ́opicamente.

Calor.

El trabajo no-macrosc ́opico hecho por el sistema en una transformaci ́on se denomina “calor que sale del sistema”. Usualmente se considera positivo el calor que entra al sistema (Q).

Trabajo total = W − Q

El trabajo se puede convertir libremente en calor, por ejemplo por frotamiento. En

cambio lo contrario no es cierto.

1a Ley de la Termodin ́amica.

Todas las interacciones fundamentales conocidas (el electromagnetismo, la gravedad y

las fuerzas nucleares fuertes y d ́ebiles) conservan la energ ́ıa. La no conservacio ́n de la energ ́ıa mec ́anica que se observa macrosc ́opicamente es debida a que no se toma en cuenta ni el calor ni la energ ́ıa interna. La primera Ley de la Termodin ́amica no es otra cosa que la ley de conservaci ́on de la energ ́ıa aplicada a una transformaci ́on termodin ́amica.

∆E = Q − W. 3

Funciones de Estado.

A las magnitudes f ́ısicas que dependen del estado del sistema se les denomina funciones de estado. El volumen, la densidad, la presi ́on, la energ ́ıa interna son funciones de estado. Ni el trabajo ni el calor son funciones de estado, porque son propiedades de las transformaciones y no de los estados.

Transformacio ́n Adiab ́atica: Transformaci ́on sin intercambio de calor. dQ = 0

Sistema Aislado T ́ermicamente: No le est ́a permitido el intercambio de calor. Estados de Equilibrio: Son estados estacionarios que mantienen esa caracter ́ıstica cuan-

do se les a ́ısla t ́ermicamente.

Par ́ametros Termodin ́amicos de Equilibrio: Subconjunto de los par ́ametros termo- din ́amicos suficientes para caracterizar los estados equilibrio. Usualmente bastan pocos par ́ametros para determinar los estados de equilibrio.

Ecuaci ́on de Estado: Una relaci ́on entre par ́ametros termodin ́amicos caracter ́ıstica de los macroestados de equilibrio.

Fluido: Un sistema termodin ́amico con una ecuaci ́on de estado del tipo f(ρ,P,U) = 0

donde ρ es la densidad P es la presi ́on y U es la energ ́ıa interna.

Contacto T ́ermico: Dos sistemas se dicen en contacto t ́ermico si la u ́nica interaccio ́n

permitida entre ellos es el intercambio de calor del uno al otro.

Parte B: Temperatura

Equilibrio T ́ermico Mutuo

Consideremos dos sistemas S1 y S2 en equilibrio y aislados

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