La Ciencia

Termodinámica y Principios de Transferencia de Calor.

Unidad 1. Conceptos y definiciones.

1.1 Introducción, conceptos y definiciones.

Antes de comenzar con el estudio a profundidad de un área como la es que estudiaré este semestre, debo haber una primera y primordial pregunta… ¿Qué es la termodinámica? La termodinámica es una de las ramas del quehacer científico que comparten la física y la química. En su sentido literal la palabra quiere decir “calor en movimiento” y tradicionalmente decimos que es el estudio de los procesos energéticos en sistemas térmicos: máquinas y reacciones químicas. Es difícil explicarlo de manera sencilla pero podemos decir que cuando comunicamos un sistema cerrado a una temperatura con otro que se encuentra a otra temperatura se produce un intercambio de materia y energía entre ambos sistemas.

La termodinámica se originó en consideraciones acerca de calor y temperatura, y emplea términos y conceptos del lenguaje corriente. Sin embargo esas mismas palabras y conceptos, cuando se usan en termodinámica son abstracciones de los conceptos ordinarios y tienen significados bien precisos que pueden diferir del uso común. Por eso hace falta introducir algunas definiciones y conceptos básicos, de los cuales quizás el más fundamental es el de equilibrio. Aquí, los que yo considero fundamentales para entender la materia:

Sistema.

Un sistema es aquella particular porción del universo en la cual estamos interesados. Típicos sistemas termodinámicos pueden ser: una cierta cantidad de gas, un líquido y su vapor, una mezcla de dos líquidos, una solución, un sólido cristalino, etc.

Ambiente.

Todo lo que se encuentra en el universo, con excepción del sistema, se denomina ambiente.

Límite.

Un límite es toda pared, contorno o borde real o ideal que separa el sistema del ambiente. En Termodinámica se supone que el límite de un sistema es una superficie matemática, a la que atribuimos ciertas propiedades ideales como rigidez, impermeabilidad y otras que describiremos más adelante. Los límites reales tan sólo se aproximan a las propiedades de los límites ideales de la Termodinámica. Un sistema se dice cerrado cuando está rodeado por un límite impermeable a la materia, y abierto cuando está rodeado por un límite permeable.

Variables termodinámicas.

Las variables termodinámicas son las magnitudes que estimamos necesario o conveniente especificar para dar una descripción macroscópica del sistema. La mayoría de esas magnitudes pro- vienen de otras ramas de la física. Por ejemplo la presión proviene de la Mecánica, las intensidades de campo eléctrico y magnético del Electromagnetismo, etc. Por consiguiente no podemos dar una definición completa y detallada del concepto de variable termodinámica, y por ahora nos tenemos que conformar con algunos ejemplos.

Para un sistema que consiste de un gas o un líquido, o una mezcla de diferentes gases o líquidos, las variables termodinámicas son: las masas de las diferentes sustancias presentes, la presión, el volumen y la temperatura. En un sistema en que se consideran superficies o películas líquidas, las variables correspondientes son la tensión superficial, el área superficial y la temperatura. El estudio termodinámico de un sistema magnético incluiría probablemente como variables la intensidad del campo magnético, la magnetización de la materia del sistema y la temperatura.

En estos ejemplos dimos sólo tres variables (además de la masa) para cada sistema, pero puede haber más. En todos esos grupos de variables la única en común es la temperatura. Las demás provienen de ramas de la física ajenas a la Termodinámica.

Estado del sistema.

Cuando se han especificado las variables necesarias para describir al sistema se dice que se ha especificado el estado del sistema. La especificación del estado de un sistema no nos da ninguna información acerca de los procesos mediante los cuales el sistema fue llevado a dicho estado.

Equilibrio.

Este es un concepto fundamental de la Termodinámica. La idea básica es que las variables que describen un sistema que está en equilibrio no cambian con el tiempo. Pero esta noción no es suficiente para definir el equilibrio, puesto que no excluye a procesos estacionarios (principal- mente varios procesos en que hay flujos) que no se pueden abordar con los métodos de la Termodinámica clásica. En los procesos estacionarios debe haber continuamente cambios en el ambiente para mantener constantes los valores de las variables del sistema. Para excluirlos se usa entonces una definición más restrictiva: un sistema

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