Termodinamica

UNIDAD 1: CONCEPTOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA

INTRODUCCIÓN

La termodinámica es fundamentalmente una ciencia fenomenológica, es decir, una ciencia macroscópica basada en leyes generales inferidas del experimento, independientemente de cualquier “modelo” microscópico de la materia. Su objetivo es, a partir de unos cuantos postulados (leyes de la termodinámica), obtener relaciones entre propiedades macroscópicas de la materia, cuando esta se somete a toda una variedad de procesos. Debe tenerse presente que las predicciones teóricas de las magnitudes de estas propiedades están fuera del campo de la termodinámica, su obtención proviene del experimento y de disciplinas como la teoría cinética y la mecánica estadística, que tratan directamente con las estructuras atómica y molecular de la materia.

DEFINICIONES FUNDAMENTALES

Sistemas y sus restricciones

El desarrollo y aplicaciones de la termodinámica dependen en gran medida, de los conceptos de: sistema termodinámico, alrededores, equilibrio y temperatura.

• Sistema termodinámico.

Un sistema termodinámico esta constituido por cierta cantidad de materia o radiación en una región del espacio que nosotros consideramos para su estudio. Al hablar de cierta región del espacio, surge de manera natural el concepto de frontera, esto es, la región que separa al sistema del resto del universo físico. Esta frontera. En la mayoría de los casos, esta constituida por las paredes del recipiente que contiene al sistema (fluidos, radiación electromagnética), o bien, su superficie exterior (trozo de metal, gota de agua, membrana superficial.

• Alrededores.

La parte del universo que interacciona con el sistema, constituye sus alrededores. La interacción entre el sistema y sus alrededores estará caracterizada por los intercambios mutuos de masa y energía.

En el caso de que un sistema esta contenido en un recipiente, lo cual es una situación común en termodinámica, el grado de interacción con sus alrededores dependerá de la naturaleza de sus paredes:

a) Paredes adiabáticas, son aquellas que no permiten que un sistema modifique su grado relativo de calentamiento. Los llamados aislantes térmicos a nivel comercial son excelentes ejemplos de materiales con esta propiedad, como la madera, el asbesto, etc.

En general supondremos que los sistemas poseen dimensiones suficientemente pequeñas para poder despreciar los efectos del campo gravitacional.

b) Paredes diatérmicas, son aquellas que permiten interacciones que modifiquen el grado relativo de calentamiento. Los metales son materiales que constituyen excelentes paredes diatérmicas.

En virtud de la naturaleza de las paredes, los sistemas termodinámicos se pueden clasificar en:

1. Sistema cerrado. Tiene paredes impermeables al paso de la materia; en otras palabras, el sistema no puede intercambiar materia con sus alrededores, y su masa permanece constante.

2. Sistema abierto. Puede existir intercambio de materia o de alguna forma de energía con sus alrededores.

3. Sistema aislado. No puede tener absolutamente ninguna interacción con sus alrededores: la pared resulta impermeable a la materia y a cualquier forma de energía mecánica o no mecánica.

EQUILIBRIO TERMODINÁMICO

Así como en mecánica describimos el movimiento de una partícula a través de su posición y velocidad, en termodinámica determinamos el estado de un sistema en términos de ciertos atributos macroscópicos susceptibles de ser medidos experimentalmente. Estos atributos que describen la condición física del sistema, están íntimamente relacionados con las restricciones impuestas al mismo.

Suponga que tuviésemos dos cuerpos con distinta temperatura, uno en contacto con el otro y lejos de influencias externas (aislados). El cuerpo más caliente se iría enfriando, mientras que el más frío se iría calentando. Después de cierto tiempo los cuerpos alcanzan una misma temperatura. A partir de este momento, las temperaturas de los cuerpos no sufrirán alteraciones, es decir, llegarán a una situación final denominada estado de equilibrio térmico.

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

Supongamos que se permite interaccionar a los sistemas A y B a través de una pared diatérmica como se muestra en la figura 1a) Las paredes adiabáticas que rodean el recinto que contiene ambos sistemas evitan cualquier interacción térmica con otros sistemas exteriores al recinto.

Entre A y B habrá interacción cambiando algunas de las variables de estado de cada sistema. Al final, estas variables tomarán valores constantes y cada sistema estará en estado de equilibrio termodinámico. Dos sistemas están en equilibrio térmico sí, cuando se ponen en contacto a través de una pared diatérmica, sus variables de estado no cambian.

Figura 1a) Intercambio de calor entre dos sistemas a través de una pared diatérmica.

La figura 1b) muestra dos sistemas A y B separados por una pared adiabática y ambos en contacto con un tercer sistema C a través de una pared diatérmica. Después de un tiempo suficientemente largo, las variables de estado de cada sistema se hacen constantes. Los sistemas A y C están equilibrio térmico y análogamente los sistemas B y C. En consecuencia los estados A y B están en equilibrio térmico. Este resultado constituye la ley cero de la termodinámica:

Dos sistemas que están en equilibrio con un tercero están, a su vez, en equilibrio térmico entre sí.

Figura 1b) Intercambio de calor entre tres sistemas a través de paredes diatérmicas por medio del cual alcanzan su estado de equilibrio termodinámico.

TEMPERATURA

En nuestra vida cotidiana la temperatura es una magnitud que distingue lo “caliente” de lo “frío”. La primera representación sobre la temperatura se originó precisamente de esta sensación.

La temperatura ocupa un lugar especial entre la serie de variables de estado que caracterizan al sistema. Esto no es extraño teniendo en cuenta que en la época cuando apareció esta magnitud en la ciencia no era conocido qué procesos internos originan en la substancia la sensación de frío o calor.

La particularidad de la temperatura como magnitud física consiste ante todo que ella, a diferencia de muchas otras magnitudes, no es aditiva. A consecuencia de esto no se puede medir la temperatura del cuerpo directamente como se mide la longitud o la masa, es decir, usando el método de comparación con un patrón. Si podemos decir que la longitud de una barra dada es tantas veces mayor que la longitud de otra, la pregunta sobre cuántas veces una temperatura se contiene en otra no tiene sentido.

Para medir la temperatura se usa el hecho de que las propiedades de la substancia cambian con la variación de la temperatura. Un termómetro es el instrumento que se usa para medir la temperatura y el grado es su unidad de medida.

TERMÓMETROS

La comparación de las temperaturas de los cuerpos por medio del tacto sólo proporciona una idea cualitativa de dichas cantidades. Para que la temperatura pueda considerarse una cantidad física es necesario que podamos medirla, a fin de que se tenga un concepto cuantitativo de la misma. En nuestro estudio consideraremos el termómetro más común, el cual relaciona la temperatura con la altura de una columna de líquido en el interior de un tubo capilar de vidrio. En este termómetro, las variaciones en la temperatura producen dilataciones o contracciones del líquido, haciendo subir o bajar la columna. Así a cada altura de la columna podemos asignarle un número, el cual corresponde a la temperatura que determinó dicha altura.

El líquido que más se emplea en este tipo de termómetro es el mercurio (por ejemplo, en los termómetros clínicos). Algunos termómetros más baratos utilizan un alcohol coloreado, generalmente rojo.

Son necesarios dos requisitos para construir un termómetro:

- El primero es que debe haber una certeza de que alguna propiedad termométrica X varía con la temperatura T. Si la variación es lineal, podemos concluir que:

T=K*X

Donde k es la constante de proporcionalidad, la cual depende de la sustancia usada.

- El segundo requisito es establecer una escala de temperaturas. Las primeras escalas de temperatura se basaron en la selección de puntos fijos superiores e inferiores correspondientes a temperaturas adecuadas para ser medidas en un laboratorio, por ejemplo las temperaturas del agua en los puntos de congelación y de ebullición.

Existen distintos tipos de termómetros, como por ejemplo:

Termómetro de vidrio o de líquido Suelen ser de vidrio sellado que poseen un líquido en su interior. La temperatura se obtiene de ver en una escala marcada en el mismo termómetro hasta que nivel llega el líquido (mercurio o alcohol) que hay en su interior.

Termómetro de resistencia consiste en un alambre de platino cuya resistencia eléctrica cambia cuando cambia la temperatura. Es lento

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