TERMODINÁMICA.La termodinámica (del griego θερμo-, termo, quesignifica "calor" y δύναμις, dinámico, que significa"fuerza") es una rama de la física que estudia los efectosde los cambios de magnitudes de los sistemas a un nivelmacroscópico. Constituye una teoría fenomenológica, apartir de razonamientos deductivos, que estudiasistemas reales, sin formar modelos y sigue un métodoexperimental. Los cambios estudiados son los detemperatura, presión y volumen, aunque tambiénestudia cambios en otras magnitudes, tales como laimanación, el potencial químico, la fuerza electromotrizy el estudio de los medios continuos en general.
También podemos decir que la termodinámica nacepara explicar los procesos de intercambio de masa yenergía térmica entre sistemas térmicos diferentes.Para tener un mayor manejo especificaremos que calorsignifica "energía en tránsito" y dinámica se refiere al"movimiento", por lo que, en esencia, latermodinámica estudia la circulación de la energía ycómo la energía infunde movimiento. Históricamente,la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidadde aumentar la eficiencia de las primeras máquinas devapor.
El punto de partida para la mayor parte de lasconsideraciones termodinámicas son las leyes de latermodinámica, que postulan que la energía puede serintercambiada entre sistemas en forma de calor otrabajo. También se introduce una magnitud llamadaentropía, que mide el orden y el estado dinámico de lossistemas y tiene una conexión muy fuerte con la teoríade información.
En la termodinámica se estudian y clasifican lasinteracciones entre diversos sistemas, lo que lleva adefinir conceptos como sistema termodinámico y sucontorno. Un sistema termodinámico se caracteriza porsus propiedades, relacionadas entre sí mediante lasecuaciones de estado. Éstas se pueden combinar paraexpresar la energía interna y los potencialestermodinámicos, útiles para determinar las condicionesde equilibrio entre sistemas y los procesosespontáneos.
Con estas herramientas, la termodinámica describecómo los sistemas responden a los cambios en suentorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedadde temas de ciencia e ingeniería, tales como motores,transiciones de fase, reacciones químicas, fenómenosde transporte, e incluso agujeros negros. Los resultadosde la termodinámica son esenciales para la química, lafísica, la ingeniería química, etc., por nombrar algunos.
Definiciones Fundamentales.Sistema y sus restricciones. El desarrollo y aplicaciones de latermodinámica dependen en gran medida, de los conceptosde: sistema termodinámico.- el cuál esta constituido por ciertacantidad de materia o radiación en una región del espacio quenosotros consideramos para su estudio. Al hablar de ciertaregión del espacio, surge de manera natural el concepto defrontera, esto es, la región que separa al sistema del resto deluniverso físico.
Es importante señalar que el sistema termodinámico ysus fronteras están determinados por el observador queimpone restricciones cuando lo elige para su estudio.Las restricciones pueden ser de naturaleza geométrica,mecánica o térmica. Las primeras están impuestas através de paredes que confinan al sistema, a una regiónfinita del espacio.
Las mecánicas determinan como poder intercambiarenergía con el sistema a través de la transmisión detrabajo mecánico, incluyendo todos los equivalentes deeste trabajo: el trabajo magnético, eléctrico, químico,etc. Por ejemplo un fluido encerrado en un recipientecon un pistón movible. Las paredes térmicasdeterminan la propiedad de poder afectar el gradorelativo de enfriamiento o calentamiento que posee elsistema.
Un sistema puede ser cualquier objeto, cualquiercantidad de materia, cualquier región del espacio, etc.,seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente)de todo lo demás, lo cual se convierte entonces en elentorno del sistema.El sistema y su entorno forman el universo.La envoltura imaginaria que encierra un sistema y losepara de sus inmediaciones (entorno) se llamafrontera del sistema y puede pensarse que tienepropiedades especiales que sirven para: a) aislar elsistema de su entorno o para b) permitir la interacciónde un modo específico entre el sistema y su ambiente.
Llamamos sistema, o medio interior, la porción delespacio limitado por una superficie real o ficticia, dondese sitúa la materia estudiada. El resto del universo es elmedio exterior. La distinción entre sistema y entorno esarbitraria: el sistema es lo que el observador haescogido para estudiar.
Si la frontera permite la interacción entre el sistema y suentorno, tal interacción se realiza a través de los canalesexistentes en la frontera. Los canales pueden serinespecíficos para interacciones fundamentales talescomo el calor o la interacción mecánica o eléctrica, omuy específicos para interacciones de transporte. Sistemas aislados, cerrados y abiertosSistema aislado es el sistema que no puedeintercambiar materia ni energía con su entorno. Sistema cerrado es el sistema que sólo puedeintercambiar energía con su entorno, pero no materia.
Sistema abierto es el sistema que puede intercambiarmateria y energía con su entorno.
Propiedades microscópicas y macroscópicas de unsistemaTodo sistema posee una estructura microscópica(moléculas, ellas mismas formadas por átomos, ellosmismos formados por partículas elementales); demodo que uno puede considerar, a priori, lascaracterísticas microscópicas, propias de cada una delas partículas constitutivas del sistema, y lascaracterísticas macroscópicas correspondientes alcomportamiento estadístico de estas partículas.
Sistema termodinámicoUn sistema termodinámico es un sistemamacroscópico, es decir, un sistema cuyo detalle de suscaracterísticas microscópicas (comprendida la posicióny la velocidad de las partículas en cada instante) esinaccesible y donde sólo son accesibles suscaracterísticas estadísticas.
Estado de un sistema y sus transformacionesLa palabra estado representa la totalidad de laspropiedades macroscópicas asociadas con un sistema...Cualquier sistema que muestre un conjunto de variablesidentificables tiene un estado termodinámico, ya seaque esté o no en equilibrio.
Concepto de transformación: estado inicial y estadofinal, transformación infinitesimal.Ocurre una transformación en el sistema si, comomínimo, cambia de valor una variable de estado delsistema a lo largo del tiempo. Si el estado inicial esdistinto del estado final, la transformación es abierta. Silos estados inicial y final son iguales, la transformación escerrada. Si el estado final es muy próximo al estadoinicial, la transformación es infinitesimal.Cualquier transformación puede realizarse por muydiversas maneras. El interés de la termodinámica secentra en los estados inicial y final de lastransformaciones, independientemente del caminoseguido. Eso es posible gracias a las funciones de estado.
Transformaciones reversibles e irreversiblesUna transformación es reversible si se realiza medianteuna sucesión de estados de equilibrio del sistema consu entorno y es posible devolver al sistema y suentorno al estado inicial por el mismo camino.Reversibilidad y equilibrio son, por tanto, equivalentes.Si una transformación no cumple estas condiciones sellama irreversible. En la realidad, las transformacionesreversibles no existen.
Equilibrio termodinámicoLas propiedades termodinámicas de un sistema vienendadas por los atributos físicos macroscópicosobservables del sistema, mediante la observacióndirecta o mediante algún instrumento de medida.Un sistema está en equilibrio termodinámico cuandono se observa ningún cambio en sus propiedadestermodinámicas a lo largo del tiempo.[Los estados de equilibrio son, por definición, estadosindependientes del tiempo (Callen, 13)]
El estado de equilibrio termodinámico se caracterizapor la anulación por compensación de flujos deintercambio y la homogeneidad espacial de losparámetros que caracterizan el sistema que ya nodependen del tiempo.Un estado de no equilibrio es un estado conintercambios netos de masa o energía y sus parámetroscaracterísticos dependen en general de la posición y deltiempo. Si no dependen de este último, necesitan laintervención del entorno para mantener sus valores(estado estacionario fuera del equilibrio).
ReversibilidadUn proceso es reversible si su dirección puedeinvertirse en cualquier punto mediante un cambioinfinitesimal en las condiciones externas. Para losprocesos reversibles es posible basar los cálculos en laspropiedades del sistema (con independencia de los delentorno). En los procesos reversibles, el sistema nuncase desplaza más que diferencialmente de su equilibriointerno o de su equilibrio con su entorno.
Noción de depositoSe llama depósito un sistema cuyas variables intensivasno varían ni en el espacio ni en el tiempo, sean cualessean los intercambios efectuados entre el sistema y elentorno. Así, un depósito es una fase que permaneceindefinidamente idéntica a si misma. Ello implica que:1) para todas las cantidades extensivas susceptibles deser intercambiadas, puede considerarse que el sistematiene una capacidad ilimitada. 2) que los intercambiosse producen lentamente de forma que no se producengradientes dentro del sistema de sus variablesintensivas. 3) que no se producen reacciones químicasdentro del sistema.
Leyes de la termodinámica.Principio cero de la termodinámicaEste principio establece que existe una determinadapropiedad, denominada temperatura empírica θ, que escomún para todos los estados de equilibriotermodinámico que se encuentren en equilibrio mutuocon uno dado. Tiene tremenda importanciaexperimental — pues permite construir instrumentosque midan la temperatura de un sistema — pero noresulta tan importante en el marco teórico de latermodinámica.
El equilibrio termodinámico de un sistema se definecomo la condición del mismo en el cual las variablesempíricas usadas para definir o dar a conocer unestado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico,polarización, magnetización, tensión lineal, tensiónsuperficial, coordenadas en el plano x , y) no sondependientes del tiempo. A dichas variables empíricas(experimentales) de un sistema se las conoce comocoordenadas térmicas y dinámicas del sistema.Este principio fundamental, aun siendo ampliamenteaceptado, no fue formulado formalmente hastadespués de haberse enunciado las otras tres leyes. Deahí que recibiese el nombre de principio cero.
Primera ley de la termodinámicaTambién conocida como principio de conservación de laenergía para la termodinámica — en realidad el primerprincipio dice más que una ley de conservación—,establece que si se realiza trabajo sobre un sistema obien éste intercambia calor con otro, la energía internadel sistema cambiará. Visto de otra forma, esta leypermite definir el calor como la energía necesaria quedebe intercambiar el sistema para compensar lasdiferencias entre trabajo y energía interna.
Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, ensu obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego ysobre las máquinas adecuadas para desarrollar estapotencia, en la que expuso los dos primeros principios de latermodinámica. Esta obra fue incomprendida por loscientíficos de su época, y más tarde fue utilizada por RudolfClausius y Lord Kelvin para formular, de una maneramatemática, las bases de la termodinámica.La ecuación general de la conservación de la energía es lasiguiente:Eentra − Esale = ΔEsistemaQue aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta elcriterio de signos termodinámico, queda de la forma:U = Q − W
La primera ley de la termodinámica afirma que laenergía total de cualquier sistema aislado se conserva.}{Se trata de la generalización de la segunda ley deNewton (conservación del movimiento), mediante elreconocimiento de que el calor Q es una forma deenergía y de la energía interna U como una propiedadintrínseca de la materia.}[El primer reconocimiento del principio de conservación,por Leibniz en 1693, se refería sólo a la suma de laenergía cinética (½mv2) y la energía potencial (mgh) deuna masa mecánica simple situada en el campogravitacional terrestre.
En la medida en que se consideraron nuevos tipos de sistemas,la forma establecida del principio de conservación fallabarepetidamente, pero en cada caso, fue posible revivirlomediante la incorporación de un nuevo término matemático(una 'nueva clase de energía')... el principio de la conservaciónde la energía es uno de los más fundamentales, generales ysignificantes principios de la teoría física.La primera ley de la termodinámica identifica el calor comouna forma de energía. Esta idea, que hoy nos pareceelemental, tardó mucho en abrirse camino y no fue formuladahasta la década de 1840, gracias a las investigaciones de Mayery de Joule principalmente. Anteriormente, se pensaba que elcalor era una sustancia indestructible y sin peso (el calórico)que no tenía nada que ver con la energía.
Para un sistema cerrado (de masa constante) laprimera ley de la termodinámica se expresamatemáticamente por medio de:∆ET = Q - Wdonde ∆ET es el cambio total de energía del sistema, Qes el calor agregado al sistema y W el trabajo realizadopor el sistema. La primera ley de la termodinámicasólo proporciona la expresión cuantitativa del principiode conservación de la energía. En palabras, expresaque el cambio total de energía de un sistema cerradoes igual al calor transferido al sistema, menos eltrabajo efectuado por el sistema.
Si se expande ∆ET en la expresión de la primera ley, seobtiene la ecuación ∆Ek + ∆Ep + ∆U = Q - WEn el caso frecuente donde las energías potencial ycinética (energía externa) del sistema no cambian, estaecuación se convierte en: ∆U = Q - Wo, en forma diferencial,dU = δQ - δWy todo el intercambio de energía con el entorno sirvepara cambiar sólo la energía interna.
Movimientos perpetuos de primera especieLa primera ley de la termodinámica impide la existenciade movimientos perpetuos de primera especie, esdecir, aquellos que se alimentan de la energía que ellosmismos producen, sin necesidad de ningún aporteexterior. Formas de intercambio de energía sistema-entornoPara sistemas cerrados, el intercambio de energíasistema-entorno sólo puede ocurrir en dos formas:calor y trabajo.
TrabajoEl trabajo en termodinámica siempre representa unintercambio de energía entre un sistema y su entorno.Cuando un sistema sufre una transformación, estepuede provocar cambios en su entorno. Si talescambios implican el desplazamiento (variación) de lasfuerzas que ejerce el entorno sobre el sistema, o másprecisamente sobre la frontera entre el sistema y elentorno, entonces ha habido producción de trabajo.Dependiendo del origen físico de las fuerzas aplicadasal sistema se distinguen diferentes formas de trabajorealizado.
El trabajo tiene dimensiones de energía y representaun intercambio de energía entre el sistema y suentorno. Por convención se considera que el trabajorealizado por el sistema es positivo y el trabajoefectuado sobre el sistema es negativo.Trabajo mecánicoEl trabajo mecánico ocurre cuando una fuerza queactúa sobre el sistema lo mueve a través de unadistancia. Tal como en mecánica este trabajo se definepor la integralW = ∫Fdl
donde F es la componente de la fuerza que actúa en ladirección del desplazamiento dl. En la forma diferencialesta ecuación se escribe:δW = Fdldonde δW representa una cantidad diferencial detrabajo.No es necesario que la fuerza F en realidad provoqueel desplazamiento dl; sin embargo, debe ser una fuerzaexterna. La convención de signos usual establece queel valor de W es negativo cuando el trabajo se hacesobre el sistema y positivo cuando es hecho por éste.
En termodinámica, a menudo se encuentra trabajoefectuado por una fuerza distribuida sobre un área, porejemplo, por una presión P que actúa a través de unvolumen V, como en el caso de una presión de fluidoejercida sobre un pistón. En esta situación, el trabajodiferencial se expresa más convenientemente comoδW = PdVDonde P es la presión externa ejercida sobre el sistema.
El trabajo mecánico se realiza a través del desplazamientode una masa.
La Fig. muestra un sistema A formado por un recipiente lleno deagua, un termómetro y una rueda de paletas. Este sistemapuede interaccionar con el sistema más sencillo A' compuestopor un peso y la tierra que ejerce una fuerza gravitatoriaconocida w sobre este peso. Los dos sistemas interaccionanpuesto que el peso al caer hace que la rueda gire y agite el agua.
Esta interacción es adiabática, ya que la única conexiónentre los dos sistemas es la cuerda, que sólo transmiteuna cantidad despreciable de calor. El parámetroexterno que describe el sistema A' es la distancia s delpeso por debajo del nivel de la polea. Si el pesodesciende una distancia ∆s sin variación de velocidad,la energía media del sistema A' se reduce en unacantidad w∆s, que es la disminución de la energíapotencial del peso que resulta del trabajo realizadosobre él por la gravedad (el peso desciendenormalmente con velocidad constante, puesto quealcanza muy rápidamente su velocidad límite.
Si la velocidad del peso estuviese cambiando, lavariación de la energía media de A' vendría dada por lavariación de la suma de las energías cinética ypotencial del peso). Como el sistema combinadoformado por A y A' está aislado, la energía media delsistema A debe aumentar entonces en el proceso enuna cantidad w∆s; es decir, el peso que cae, A', realizaun trabajo w∆s sobre el sistema aisladoadiabáticamente, A.
Trabajo de expansiónCuando el trabajo se debe al desplazamiento de lasfuerzas de presión exteriores que conllevan un cambioen el volumen del sistema se llama trabajo deexpansión y se expresa porδW = PdV
Con medios eléctricos es posible realizar trabajo de modo másconveniente y medirlo a su vez con más exactitud (el trabajo esrealmente mecánico al final, pero intervienen en él fuerzaseléctricas). Esta fig. muestra un dispositivo de este tipo,completamente análogo al de la Fig. anterior.
Trabajo eléctrico
Aquí el sistema A se compone de un recipiente llenode agua, un termómetro y una resistencia eléctrica. Ala resistencia puede conectarse una batería de femconocida V mediante unos conductores losuficientemente finos para mantener el sistema Atérmicamente aislado de la batería. La carga q quepuede proporcionar la batería es su parámetroexterno. Cuando la batería suministra una carga ∆qque pasa a través de la resistencia, el trabajo realizadopor la batería sobre A en este proceso es simplementeV∆q. La resistencia juega aquí un papel completamenteanálogo a la rueda de paletas del ejemplo anterior, demodo que ambos son simplemente aparatosadecuados sobre los que puede realizarse el trabajo.
CalorEl calor, al igual que el trabajo, se considera entermodinámica como energía en tránsito a través de lafrontera que separa a un sistema de su entorno. Sinembargo, a diferencia del trabajo, la transferencia decalor se origina por una diferencia de temperaturaentre el sistema y su entorno y el simple contacto es elúnico requisito para que el calor sea transferido porconducción. No se considera el calor que se almacenaen un sistema. Cuando se le agrega energía en formade calor a un sistema se almacena como energíacinética y potencial de las partículas microscópicas quelo integran. Las unidades de calor son las de trabajo yenergía.
La convención de signos utilizada para una cantidad decalor Q es opuesta a la que se utiliza para el trabajo. Elcalor añadido a un sistema se da con un númeropositivo, en tanto que el calor extraído de un sistema seda con un número negativo.depósito de calorUn depósito de calor es un cuerpo capaz de absorber odesprender cantidades ilimitadas de calor sin ningúncambio de temperatura. La atmósfera y los océanos seaproximan a lo que son los depósitos de calor, por logeneral utilizados como sumideros de calor. Un horno yun reactor nuclear en funcionamiento continuo sonequivalentes a los depósitos de calor.
Segunda ley de la termodinámicaEsta ley nos da la dirección en la que deben llevarse acabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, laimposibilidad de que ocurran en el sentido contrario(por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en elagua pueda volver a concentrarse en un pequeñovolumen). También establece, en algunos casos, laimposibilidad de convertir completamente toda laenergía de un tipo en otro sin pérdidas.
La energía total no permite caracterizar por completo unsistema macroscópico, puesto que las partículas del sistemapueden estar en diferentes distribuciones de niveles deenergía, siendo igual la cantidad de energía total. Es necesariauna magnitud que pueda representar, a nivel macroscópico, elgrado de orden existente entre las partículas del sistema.[no es posible convertir completamente calor en trabajo, perosí trabajo en calor. Así pues, mientras, según la primera ley,calor y trabajo son formas equivalentes de intercambio deenergía, la segunda ley varía radicalmente su equivalencia, yaque el trabajo puede pasar íntegramente a calor pero el calorno puede transformarse íntegramente en trabajo.
Desde el punto de vista de la primera ley de latermodinámica, los dos procesos (trabajo y calor) sonequivalentes. El calor puede transformarse en trabajo, oel trabajo en calor. Esta equivalencia se pierde siconsideramos la segunda ley. El trabajo es una formamás 'coherente' de energía. Siempre podemostransformarlo en calor, pero la inversa no siempre esposible.
De esta forma, la segunda ley impone restricciones paralas transferencias de energía que hipotéticamentepudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo elPrimer Principio. Esta ley apoya todo su contenidoaceptando la existencia de una magnitud física llamadaentropía, de tal manera que, para un sistema aislado(que no intercambia materia ni energía con su entorno),la variación de la entropía siempre debe ser mayor quecero.
Debido a esta ley también se tiene que el flujoespontáneo de calor siempre es unidireccional, desdelos cuerpos de mayor temperatura hacia los de menortemperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.La aplicación más conocida es la de las máquinastérmicas, que obtienen trabajo mecánico medianteaporte de calor de una fuente o foco caliente, paraceder parte de este calor a la fuente o foco o sumiderofrio. La diferencia entre los dos calores tiene suequivalente en el trabajo mecánico obtenido.Existen numerosos enunciados equivalentes para definireste principio, destacándose el de Clausius y el deKelvin.
Entropía[La formulación matemática de la segunda ley, debida aClausius (1865), introduce una nueva función de estado,la entropía, definida como
donde SA es el valor (arbitrario) que asignamos a laentropía del estado de referencia A, T es la temperaturaabsoluta y dqrev es el calor intercambiado en un procesoirreversible ideal.
Existe una propiedad llamada entropía S, la cual es unapropiedad intrínseca de un sistema, funcionalmenterelacionada con las coordenadas mensurables quecaracterizan el sistema. Para un proceso reversible, loscambios en esta propiedad están dados por:
Segunda ley de la termodinámicaEl cambio de entropía de cualquier sistema y suambiente considerados como un todo, es positivo y seaproxima a cero para cualquier proceso que seaproxime a la reversibilidad... Todos los procesosnaturales dan por : ∆Stotal ≥ 0
Enunciado de KelvinNo existe ningún dispositivo que, operando por ciclos,absorba calor de una única fuente (E.absorbida) y loconvierta íntegramente en trabajo (E.útil).Otra interpretaciónEs imposible construir una máquina térmica cíclica quetransforme calor en trabajo sin aumentar la energíatermodinámica del ambiente.
Debido a esto podemos concluir que el rendimientoenergético de una máquina térmica cíclica que conviertecalor en trabajo siempre será menor a la unidad y éstaestará más próxima a la unidad cuanto mayor sea elrendimiento energético de la misma. Es decir, cuantomayor sea el rendimiento energético de una máquinatérmica, menor será el impacto en el ambiente, yviceversa.
Tercera ley de la termodinámicaLa Tercera de las leyes de la termodinámica, propuestapor Walther Nernts, afirma que es imposible alcanzaruna temperatura igual al cero absoluto mediante unnúmero finito de procesos físicos. Puede formularsetambién como que a medida que un sistema dado seaproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valorconstante específico. La entropía de los sólidoscristalinos puros puede considerarse cero bajotemperaturas iguales al cero absoluto. No es una nociónexigida por la Termodinámica clásica, así que esprobablemente inapropiado tratarlo de “ley”.
Es importante recordar que los principios o leyes de laTermodinámica son sólo generalizaciones estadísticas,válidas siempre para los sistemas macroscópicos, peroinaplicables a nivel cuántico. El demonio de Maxwellejemplifica cómo puede concebirse un sistema cuánticoque rompa las leyes de la Termodinámica.Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el deconservación de la energía, es la más sólida y universalde las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahorapor las ciencias.
Sistema y ambienteEn el estudio de la Termodinámica la atención estádirigida al interior de un sistema, aunque se adopte unpunto de vista macroscópico, sólo se consideranaquellas magnitudes de este tipo que tienen relacióncon el estado interno del sistema. Para poder entenderlas magnitudes involucradas en este tema, se hacenecesario definir los conceptos de sistema y estado deun sistema.
SistemaSe puede definir un sistema como un conjunto de materia,que está limitado por una superficie, que le pone elobservador, real o imaginaria. Si en el sistema no entra nisale materia, se dice que se trata de un sistema cerrado, osistema aislado si no hay intercambio de materia y energía,dependiendo del caso. En la naturaleza, encontrar unsistema estrictamente aislado es, por lo que sabemos,imposible, pero podemos hacer aproximaciones. Un sistemadel que sale y/o entra materia, recibe el nombre de abierto.Ponemos unos ejemplos:
Un sistema abierto: es cuando existe un intercambio de masay de energía con los alrededores; es por ejemplo, un coche. Leechamos combustible y él desprende diferentes gases y calor.Un sistema cerrado: es cuando no existe un intercambio demasa con el medio circundante, sólo se puede dar unintercambio de energía; un reloj de cuerda, no introducimos nisacamos materia de él. Solo precisa un aporte de energía queemplea para medir el tiempo.Un sistema aislado:es cuando no existe el intercambio ni demasa y energía con los alrededores; ¿Cómo encontrarlo si nopodemos interactuar con él?. Sin embargo un termo lleno decomida caliente es una aproximación, ya que el envase nopermite el intercambio de materia e intenta impedir que laenergía (calor)salga de él.
Medio externoSe llama medio externo o ambiente a todo aquelloque no está en el sistema pero que puede influir en él.Por ejemplo, consideremos una taza con agua, queestá siendo calentada por un mechero. Consideremosun sistema formado por la taza y el agua, entonces elmedio está formado por el mechero, el aire, etc.
Equilibrio térmicoToda sustancia por encima de los 0º Kelvin (-273.15ºCentígrados) emite calor. Si 2 sustancias en contacto seencuentran a diferente temperatura, una de ellasemitirá más calor y calentará a la más fría. El equilibriotérmico se alcanza cuando ambas emiten, y reciben lamisma cantidad de calor, lo que iguala su temperatura.Nota: estrictamente sería la misma cantidad de calorpor gramo, ya que una mayor cantidad de sustanciaemite más calor a la misma temperatura.
Variables termodinámicasLas variables que tienen relación con el estado internode un sistema, se llaman variables termodinámicas ocoordenadas termodinámicas, y entre ellas las másimportantes en el estudio de la termodinámica son:la masael volumenla densidadla presiónla temperatura
Estado de un sistemaUn sistema que puede describirse en función decoordenadas termodinámicas se llama sistematermodinámico y la situación en la que se encuentradefinido por dichas coordenadas se llama estado delsistema.
Equilibrio térmicoUn estado en el cual dos coordenadas termodinámicasindependientes X e Y permanecen constantes mientrasno se modifican las condiciones externas se dice que seencuentra en equilibrio térmico. Si dos sistemas seencuentran en equilibrio térmico se dice que tienen lamisma temperatura. Entonces se puede definir latemperatura como una propiedad que permitedeterminar si un sistema se encuentra o no enequilibrio térmico con otro sistema. El equilibriotérmico se presenta cuando dos cuerpos contemperaturas diferentes se ponen en contacto, y el quetiene mayor temperatura cede calor al que tiene másbaja, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura.
Algunas definiciones útiles en termodinámica son lassiguientes.Foco térmicoUn foco térmico es un sistema que puede entregar y/orecibir calor, pero sin cambiar su temperatura.Contacto térmicoSe dice que dos sistema están en contacto térmicocuando puede haber transferencia de calor de unsistema a otro.
Procesos termodinámicosSe dice que un sistema pasa por un procesotermodinámico, o transformación termodinámica,cuando al menos una de las coordenadastermodinámicas no cambia. Los procesos másimportantes son:Procesos isotérmicos: son procesos en los que latemperatura no cambia. Procesos isobáricos: son procesos en los cuales lapresión no varía. Procesos isócoros: son procesos en los que el volumenpermanece constante. Procesos adiabáticos: son procesos en los que no haytransferencia de calor alguna.
Por ejemplo, dentro de un termo donde se colocanagua caliente y cubos de hielo, ocurre un Procesoadiabático, ya que el agua caliente se empezará aenfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo seempezará a derretir hasta que ambos estén enequilibrio térmico, sin embargo no hubo transferenciade calor del exterior del termo al interior por lo que setrata de un proceso adiabático.
Rendimiento termodinámico o eficienciaUn concepto importante en la ingeniería térmica es elde rendimiento. El rendimiento de una máquinatérmica se define como:donde, dependiendo del tipo de máquina térmica, estasenergías serán el calor o el trabajo que se transfieran endeterminados subsistemas de la máquina.
Teorema de CarnotNicolas Léonard Sadi Carnot en 1824 demostró que elrendimiento de alguna máquina térmica que tuviese lamáxima eficiencia posible (a las que en la actualidad sedenotan con su nombre) y que operase entre dostermostatos (focos con temperatura constante),dependería sólo de las temperaturas de dichos focos.Por ejemplo, el rendimiento para un motor térmico deCarnot viene dado por:
donde Tc y Tf son las temperaturas del termostatocaliente y del termostato frío, respectivamente,medidas en Kelvin.Este rendimiento máximo es el correspondiente al deuna máquina térmica reversible, la cual es sólo unaidealización, por lo que cualquier máquina térmicaconstruida tendrá un rendimiento menor que el de unamáquina reversible operando entre los mismos focos.
Motores y bombas térmicasSe definen los motores térmicos como los dispositivos queproducen trabajo mediante un proceso de intercambio de calorentre dos recipientes, no obstante el cual permanece sin cambios.
