Termodinamica

La Termodinámica es la ciencia que estudia las transformaciones de energía de todo tipo (mecánica, térmica, eléctrica, química…) y su relación con las propiedades físicas macroscópicas de las sustancias afectadas por dichas transformaciones. Así pues, esta ciencia es de interés para todas las partes de la física y para otras partes de prácticamente todas las ciencias y es fundamental en la formacion de un ingeniero.

Por otra parte, si se tiene en cuenta la utilización de energía en los países industrializados es un factor importante para un crecimiento sostenido. Es posible consluir entonces que la contribución de la termodinámica es y continuará siendo muy relevante.

La termodinámica es una ciencia fenomenológica que, al igual que otras partes de la física (mecánica, fluidodinámica, electromagnetismo…) está basada en unos principios matemáticamente indemostrables, extraídos de la generalización de innumerables estudios experimentales y que no son más que restricciones que la naturaleza impone a las transformaciones de energía. A diferencia de otras ciencias fenomenológicas, el tiempo no es una variable a considerar, ni las coordenadas espaciales juegan prácticamente ningún papel, pues esta ciencia no describe evoluciones sino estados de equilibrio de la materia y su estructura formal no es la de una teoría de campos.

Las propiedades termodinámicas y las relaciones de energía pueden estudiarse mediante el análisis del comportamiento a escala macroscópica de una sustancia o bien mediante mediante el promedio estadístico del comportamiento de las partículas individuales que componen la sustancia. Los estudios de la termodinámica clásica se efectúan sin recurrir a la naturaleza de las partículas individuales y sus interacciones, es decir, no se hace uso de ninguna hipótesis acerca de la estructura detallada de la materia a escala microscópica. En cosnecuencia, las leyes de la termodinámica clásica no sufren cambio alguno con los nuevos descubrimientos acerca de la naturaleza de la materia. Sin embargo, al no introducir hipótesis microscópicas en la termodinámica clásica, nunca es posible identificar un proceso microscópico mediante razonamientos puramente termodinámicos, limitando así la profundidad en el estudio de las propiedades físicas.

Por estas razones se ha desarrollado paralelamente la termodinámica estadística, que se basa en el análisis del comportamiento estadístico de grandes grupos de partículas individuales. Postula que los valores de las propiedades macroscópicas (presión, temperatura, densidad) que pueden medirse bien directamente, bien indirectamente a partir de otras mediciones, siempre reflejan algún tipo de promedio estadístico del comportamiento de un enorme número de partículas. Sin embargo no hay razones para trazar una frontera entre la termodinámica clásica y la estadística, pues ambas son complementarias y lo que es una ventaja para una respecto a la otra, puede argumentarse también como una desventaja para el otro tipo de análisis.

Quizás el hecho de la termodinámica clásica no se refiera a las propiedades fundamentales en el sentido microscópico, es la causa de que no llame la atención al lego, pero precisamente resulta tan valiosa porque evita las teorías microscópicas, proporcionando un marco muy general de ideas, a partir de las cuales se puede llegar a conocer fácilmente cualquier sistema concreto, ayudando así a evitar errores, porque cualquier resultado no acorde con la termodinámica debe estar equivocado.

Todo análisis termodinámico comienza con la selección del sistema, sus fronteras y sus alrededores. Así, definimos sistema termodinámico como una región del espacio físico (que tiene existencia real) que constituye el objeto del nuestro estudio, limitada por una superficie frontera cerrada arbitraria, real o imaginaria, que puede variar de tamaño o forma, estar en reposo o en movimiento. A la región del espacio físico que existe fuera de las fronteras del sistema y que de alguna forma interacciona con éste (lo que se traduce en una influencia detectable sobre él) se le denomina medio ambiente, medio exterior o entorno. El conjunto formado por el sistema y su entorno constituye el Universo.

A su vez, un sistema puede ser simple o complejo, homogéneo o heterogéneo, monocomponente o multicomponente. Un gas contenido en un cilindro es un sistema simple. Un sistema puede estar constituido por subsistemas o fases diferenciadas entre si por discontinuidades en sus propiedades físicas. Definimos fase como un sistema o aprte de él que es homogéneo, es decir, cada una de sus propiedades intensivas (definidas más adelante) toma el mismo valor en cada punto. Un sistema constituido por varias fases es heterogéneo. Una fase puede ser una sustancia químicamente pura, sistema monocomponente, o puede contener más de un componente, sistema multicomponente (binario, ternario…). Debe tenerse cuidado y no confundir estado de agregación con fase. Por ejemplo, una mezcla de agua y aceite (inmiscibles) es un sistema compuesto por una única fase binaria líquida que, para ciertas concentraciones y temperaturas, se transforma en un sistema complejo al separarse en dos fases líquidas, cada una de ellas compuestas por alcohol y agua, pero en concentraciones diferentes, así pues en un único estado de agregación. Una mezcla de agua y hielo es un sistema complejo compuesto por dos fases monocomponentes, cada una en un estado de agregación diferente.

El análisis de las transformaciones que pueda sufrir un sistema termodinámico incluye el estudio de transferencia de masa y/o energía a través de la superficie frontera del mismo. Se denomina sistema cerrado a un sistema en el cual no puede haber flujo de masa a través de sus fronteras, pero si puede haber cambio de energía. Si el sistema no puede intercambiar ni masa ni energía a través de su frontera se denomina aislado y si pude intercambiar ambos se denomina abierto. A la superficie frontera se le denomina también pared termodinámica y más adelante veremos cómo pueden clasificarse.

Elegido un sistema termodinámico, el siguiente paso es especificar su estado, o forma de existir del mismo, sin cuyo conocimiento no podríamos estudiar su comportamiento, sus interacciones con el entorno o ambas a la vez. Una forma de describir dicho estado consiste en especificar un número reducido de magnitudes que afecten globalmente al sistema, proporcionando una descripción macroscópica del mismo. Aquellas propiedades físicas macroscópicas medibles que definen el estado de un sistema y que pueden variar con independencia de las demás reciben el nombre de variables o coordenadas termodinámicas de estado, y las magnitudes que adquieren un valor único para cada estado y que dependen dependen de los valores que tengan las variables de estado se denominan funciones de estado. En termodinámica el tiempo no es una variable a considerar, pues esta ciencia no describe los procesos que tienen lugar entre dos estados de un sistema, sino que establece las relaciones entre las variables termodinámicas que definen el estado del sistema antes y después del proceso que tenga lugar.

Las variables de estado pueden clasificarse en intensivas y extensivas. Las variables intensivas son independientes de la cantidad de materia que contiene el sistema (temperatura, presión, densidad…). Por el contrario hablamos de una variable extensiva cuando su valor depende de la cantidad de materia que contiene el sistema (volumen, masa, carga eléctrica neta…), y para un sistema constituido por varias fases, su valor es la suma de los valores de cada una de las fases o subsistemas que lo componen. En general se utilizan letras mayúsculas para denominar a las variables extensivas (con excepción de la msa, “m”), y letras minñusculas para denominar a las intensivas (con excepción de la temperatura, T). Cuando se divide el valor de una propiedad extensiva entre la masa del sistema, a la propiedad resultante se la denomina propiedad específica y es una propiedad intensiva; así el volumen de un sistema es “V” y su volumen específico es:

 v = V / m.

Se dice que un sistema aislado se encuentra en equilibrio termodinámico cuando sus variables de estado se mantengan fijas en el espacio y en el tiempo. Esta definición solo es válida si el sistema es homogéneo, si el sistema es heterogéneo para que el sistema esté en equilibrio termodinámico deben estarlo cada una de sus fases.

Se denomina termodinámica del equilibrio a aquélla parte de la termodinámica que se ocupa del estudio de las propiedades macroscópicas que poseen los sistemas cuando se encuentran en equilibrio termodinámico, y termodinámica de los procesos irreversibles o del no-equilibrio a aquella parte de la termodinámica que estudia las propiedades de los sistemas fuera del equilibrio termodinñamico. Nuestro estudio tratará solamente de la termodinámica del equilibrio.

A cualquier transformación de un sistema entre dos estados de equilibrio termodinámico se le denomina proceso. La trayectoria o camino de un proceso se refiere a la especificación de la serie de estados a través de los cuales pasa el sistema. La descripción completa de un proceso requiere, por lo general, el conocimiento de los estados de equilibrio inicial y final, la trayectoria (si puede identificarse), y las las interacciones que ocurren a través de las fronteras del sistema durante el proceso.

Cuando una propiedad permanece constante durante el proceso, a éste se le identifica con el prefijo “iso” aplicado a la propiedad. Así, en un proceso isotermo la temperatura se mantiene constante durante la transformación, en un proceso isobárico es la presión la variable que permanece

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