Termodinamica

Termodinámica

Se define como el estudio de la energía, sus formas y sus transformaciones, así como sus interacciones con la materia. Nos ayuda a comprender por qué los motores no puedes ser nunca totalmente eficientes y por qué es imposible enfriar hasta el cero absoluto, una temperatura a la que las sustancias no tiene energía calorífica. El término termodinámica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza), lo cual corresponde a lo más descriptivo de los primeros esfuerzos por convertir el calor en energía. En la actualidad el concepto se interpreta de manera amplia para concluir los aspectos de energía y sus transformaciones, incluida la generación de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia.

Teniendo diversos campos de aplicación, entre estos se incluye las plantas de potencia (combustible, fósiles, fisión nuclear, fusión nuclear, solar, geotérmica, etc.); las maquinas (de vapor, de gasolina, diesel, turbinar de gas estacionarias y de propulsión, cohetes, etc.); acondicionamiento de aire y sistemas de refrigeración de todos tipos; hornos, calentadores y equipos de procesos químicos; el diseño de equipo electrónico (por ejemplo evitar la sobrecarga y falla de componentes individuales, tableros con circuitos); el diseño de equipo mecánico (por ejemplo el diseño de frenos para predecir la rapidez del desgaste lineal debido al calentamiento por fricción y a la erosión); procesos de manufactura (donde, por ejemplo, el desgaste de los taladros con frecuencia se debe al calor pro fricción de la cara cortante).

Sistemas termodinámicos

Para concretar la parte del universo que se desea estudiar por una razón particular, es necesario definir un sistema como parte del universo que se ha separado para su análisis, por consiguiente, el universo tiene otro subconjunto llamado alrededores, el cual está constituido por la porción del universo que interactúa fuertemente con el sistema en estudio. En resumen se realiza el estudio termodinámico de un sistema que interactúa con sus alrededores; el sistema y sus alrededores forman parte del universo. Se define como frontera del sistema a la superficie que separa el sistema de sus alrededores.

Supongamos una crema de afeitar como sistema está separada del aire (alrededores) cuando sale del tubo por una superficie imaginaria siempre contiene toda la masa inicial del sistema (crema de afeitar). La definición de sistema no excluye que la masa cruce fronteras del sistema; simplemente es necesario tener en cuenta que el sistema de estudio tiene masa diferente dentro de sus fronteras a cada instante; otra opción es considerar el estudio como una serie de sistemas a volumen constante, cada uno con un inventario diferente de masa.

Sistema cerrado: Es una región de masa constante; a través de sus límites sólo se permite la transferencia de energía, Se denomina masa de control; es decir ninguna masa cruza las fronteras, la energía en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera y el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo.

Sistema aislado: No puede transferir materia ni energía con el medio que lo rodea, el universo en su totalidad se considera un sistema aislado, siendo este un caso especial donde se impide que la energía cruce la frontera.

Sistema abierto: Es posible la transferencia de masa y de energía a través de sus límites; la masa contenida en él no es necesariamente constante. Se denomina volumen de control: la superficie limitante que por lo menos en parte debe ser imaginaria, se llama superficie de control.

Ley Cero de la Termodinámica

Dicha ley postula que es posible medir la temperatura, es decir, que la temperatura es una propiedad. Para entender esto pongamos un ejemplo suponemos que dos subsistemas Ay B cerrados, definidos respectivamente por sus variables de equilibrio, ambos independientes entre sí, si se sustituye su pared adiabática que los separa por otra diatérmica se observa experimentalmente que se rompe el equilibrio existente y cada sistema varía su estado hasta alcanzar estados de un nuevo equilibrio, que llamaremos equilibrio térmico.

Ya que tenemos el concepto de equilibrio térmico podemos considerar tres subsistemas A, B y C, separados dos de ellos, A y B por una pared adiabática y C separado de A y B por paredes diatérmicas. Se observa experimentalmente que si, en virtud del equilibrio térmico, A-C y B-C están en equilibrio térmico, también lo están A-B, a pesar de no estar separados por una pared diatérmica, esto equivale a decir que la propiedad “equilibrio térmico” es transitiva, es decir:

Si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico, casa uno de ellos con un tercero C, los sistemas A y B están en equilibrio térmico entre sí.

La existencia del equilibrio térmico entre dos sistemas puede verificarse a través de un sistema intermedio llamado termómetro, sin necesidad de que los dos sistemas estén necesariamente en contacto a través de una pared diatérmica.

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