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¿Qué es la termodinámica?

¿Qué es la termodinámica?

La termodinámica es la parte de la física que trata el estudio de las propiedades materiales de los sistemas macroscópicos y los efectos que tienen las variaciones de temperatura, presión y volumen sobre estos.

Conceptos fundamentales.

Temperatura: propiedad que poseen los cuerpos, tal que su valor para ellos es el mismo siempre que esté en equilibro térmico.

Tenemos diferentes escalas para medir la temperatura, como los siguientes representados en esta tabla:

 

Kelvin

Grado Celsius

Grado Fahrenheit

Grado Kankine

Grado Keamur

Kelvin

K=K

K=C+273.15

K=(F+459.67)5/9

K=Ra5/9

K=Re5/4+273.15

Grado Celsius

C=K-273.15

C=C

C=(F-32)5/9

C=(Ra-491.67)5/9

C=Re5/4

Grado Fahrenheit

F=K9/5-459.67

F=C9/5+32

F=F

F=Ra-459.67

F=Re9/4+32

Grado Kankine

Ra=K9/5

Ra=(C+273.15)9/5

Ra=F+459.67

Ra=Ra

Ra=Re9/4+491.67

Grado Keamur

Rc=(K-273.15)4/5

Rc=C4/5

Rc=(F-32)4/9

Rc=(Ra-491.67)4/9

Rc=Rc


Calor
: energía intercambiada entre un sistema y el medio que lo rodea debido a los choques entre las moléculas del sistema y el exterior a causa únicamente de su diferencia de temperatura y siempre que no pueda expresarse macroscópicamente como producto de fuerza por desplazamiento.

Para calcular el calor absorbido, se usa la siguiente fórmula:

Q = n*ce0 (TB-TA).

Donde:

  1. n: masa o número de moles
  2. ce0: calor específico
  3. TB: temperatura del sistema
  4. TA: temperatura ambiente

Calor específico: cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad. Se representa con la letra c. Esta magnitud depende de la sustancia que se trate y de la temperatura inicial.

Calor latente: energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Cada sustancia tiene sus propios calores latentes de fusión y vaporización.

Por ejemplo, el agua:

  1. De fusión: 334 kJ/kg (79,7 kcal/kg) a 0 °C.
  2. De vaporización: 2257 kJ/kg (538,7 kcal/kg) a 100 °C.

O el amoníaco:

  1. De fusión: 753 kJ/kg (180 kcal/kg) a −77,73 °C.
  2. De vaporización: 1369 kJ/kg (327 kcal/kg) a −33,34 °C.

Capacidad calorífica: cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad. Se representa con la letra C. En consecuencia, el calor específico es la capacidad calorífica específica: c= C/m. Siendo m la masa de la sustancia considerada.

Energía interna: energía que tiene una sustancia debido a su temperatura, se puede decir que a nivel microscópico es la energía cinética de sus moléculas. El calor se considera positivo cuando fluye hacia el sistema, es decir, este incrementa su energía interna. Este se considera negativo cuando fluye desde el sistema, por lo que disminuye su energía interna.

Equilibrio térmico: cuando entre dos sistemas no hay intercambio de energía en forma de calor se dice que están en equilibrio térmico. Para que esto ocurra, ambos sistemas deben estar a la misma temperatura.

Estado de equilibrio: cuando en un sistema sus variables macroscópicas presión P, volumen V y temperatura T no cambian, decimos que el sistema está en equilibrio.

Ecuación de estado: ecuación que relaciona las variables P, V y T.

En un gas ideal se cumple que:

P x V= n x R x T.

Donde:

  1. n: número de moles.
  2. R: constante de los gases= 0,082 atm·l/K·mol= 8.3143 J/K·mol.

Transferencia de calor.

Cuando se ponen en contacto dos cuerpos que tienen distintas temperaturas, se produce una transferencia de calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura.

Esta transferencia de calor se puede realizar por tres mecanismos físicos:

  1. Conducción: transferencia de calor entre dos puntos de un cuerpo que se encuentran a diferente temperatura sin que se produzca transferencia de materia entre ellos. Por ejemplo, si tenemos una barra metálica con un extremo a 60 ºC y otro a temperatura ambiente, si no existe ninguna otra influencia externa y el extremo caliente se mantiene a 60 ºC, habrá una transferencia de calor por conducción desde el extremo caliente hacia el frío incrementando la temperatura de este último.
  2. Convección: mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia. Puede ser de dos tipos:
    1. Natural: producida solo por las diferencias de densidades de la materia.
    2. Forzada: cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo, el aire con un ventilador o el agua con una bomba.
  3. Radiación: energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones. Esta energía es producida por los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportada por ondas electromagnéticas o fotones, por lo recibe el nombre de radiación electromagnética.

A diferencia de la conducción y la convección, o de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética es independiente de la materia para su propagación, de hecho, la transferencia de energía por radiación es más efectiva en el vacío.

Leyes de la termodinámica.

  1. Ley Cero de la Termodinámica: si dos sistemas están por separado en equilibrio con un tercero, entonces también deben estar en equilibrio entre ellos. Si tres o más sistemas están en contacto térmico y todos juntos en equilibrio, entonces cualquier par está en equilibrio por separado.
  2. Primera Ley de la Termodinámica: el trabajo necesario para cambiar el estado de un sistema aislado depende únicamente de los estados inicial y final, y es independiente del método usado para realizar el cambio.

El cambio de energía interna de un sistema se puede definir como la diferencia entre el calor suministrado y el trabajo por él realizado:

ΔU = Q-W.

Siendo:

  • ΔU: energía interna del sistema.
  • Q: calor.
  • W: trabajo.

En un cambio de volumen, el trabajo que se realiza es:

W = P*ΣV.

Expresado gráficamente, se puede definir como:

W = ∫p*dV.

  1. Segunda Ley de la Termodinámica: enunciado de Clausius: no hay ninguna transformación termodinámica cuyo único efecto sea transferir calor de un foco frío a otro caliente. Enunciado de Kelvin: No hay ninguna transformación termodinámica cuyo único efecto sea extraer calor de un foco y convertirlo totalmente en trabajo.
  2. Tercera Ley de la Termodinámica: no existe ningún proceso capaz de reducir la temperatura de un sistema al cero absoluto en un número finito de pasos.

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