TERMODINÁMICA

La termodinámica (de las palabras griegas «calor» y «potencia») es el estudio del calor, el trabajo, la energía y los cambios que provocan en los estados de los sistemas. En un sentido más amplio, la termodinámica estudia las relaciones entre las propiedades macroscópicas de un sistema. La temperatura es una propiedad esencial en la termodinámica, y por eso se define a veces la termodinámica como el estudio de la relación entre la temperatura y las propiedades macroscópicas de la materia.

Sistemas termodinámicas.

En la termodinámica, a la parte macroscópica del universo objeto de estudio se le llama sistema. A las partes del universo que pueden interaccionar con el sistema se les denomina alrededores.

Por ejemplo, para estudiar la presión de vapor del agua en función de la temperatura, podríamos poner un recipiente cerrado con agua (donde se haya eliminado el aire) en un baño a temperatura constante, y conectar un manómetro al recipiente para medir la presión.

En este caso, el sistema está compuesto por el agua líquida y el vapor de agua dentro del recipiente, y los alrededores son el baño a temperatura constante y el mercurio del manómetro.

Un sistema abierto es aquel en el que se puede transferir materia entre el sistema y los alrededores. Un sistema cerrado es aquel en el que no es posible tal transferencia de materia. Un sistema aislado es el que no interacciona de ninguna forma con sus alrededores. Obviamente, un sistema aislado es un sistema cerrado, pero no todos los sistemas cerrados son aislados. Por ejemplo, en el sistema de agua líquida más vapor en el recipiente sellado es un sistema cerrado (ya que no puede entrar ni salir materia), pero no aislado (pues puede calentarse o enfriarse con el baño que le rodea, y puede comprimirse o expandirse por medio del mercurio). En un sistema aislado no puede darse transferencia de materia ni de energía entre el sistema y los alrededores. En un sistema cerrado es posible transferir energía, pero no materia, entre el sistema y los alrededores. En uno abierto pueden intercambiarse tanto materia como energía.

Un sistema termodinámico es abierto o cerrado y es aislado o no aislado. La mayor parte de las veces trataremos con sistemas cerrados.

Paredes

Un sistema puede estar separado de sus alrededores por varios tipos de paredes (el sistema está separado del baño por las paredes del recipiente.). Una pared puede ser rígida o no rígida (es decir, móvil). Puede ser permeable o impermeable, donde el término «impermeable» significa que no permite el paso de materia a su través. Por último, una pared puede ser adiabática o no adiabática. En lenguaje corriente, una pared adiabática es la que no conduce en absoluto el calor, mientras que una pared no adiabática conduce el calor.

Propiedades termodinámicas.

¿Qué propiedades utiliza la termodinámica para caracterizar un sistema en equilibrio? Claramente, debe especificarse la composición. Esto puede hacerse estableciendo la masa de cada una de las especies químicas presentes en cada fase. El volumen V es una propiedad del sistema. La presión P es otra variable termodinámica. La presión se define como la magnitud de la fuerza perpendicular por unidad de área ejercida por el sistema sobre sus alrededores:

P = F / A

donde F es la magnitud de la fuerza perpendicular ejercida sobre una pared separadora de área A. El símbolo = indica una definición. . La presión es un escalar, no un vector. Para un sistema en equilibrio mecánico, la presión en todo el sistema es uniforme e igual a la presión de sus alrededores.

Una propiedad termodinámica extensiva es aquella cuyo valor es igual a la suma de los valores correspondientes a diferentes partes del sistema. Así, si dividimos un sistema en partes, la masa del sistema es igual a la suma de las masas de cada una de las partes; la masa es una propiedad extensiva. Lo mismo pasa con el volumen. Las propiedades que no dependen de la cantidad de materia en el sistema se denominan intensivas. La densidad y la presión son ejemplos de propiedades intensivas. Podemos tomar una gota de agua o una piscina llena de agua, y ambos sistemas tendrán la misma densidad.

Primera ley de la termodinámica (Ley de la conservación de la energía)

Con el descubrimiento hecho por Joule acerca del equivalente mecánico de calor, se demostró que la energía mecánica se convierte en energía térmica cuando por fricción aumenta la energía interna de un cuerpo; y que la energía térmica se puede convertir en energía mecánica si un gas encerrado en un cilindro se expande y mueve un émbolo.

“La variación en la energía interna de un sistema es igual a la energía transferida a los alrededores o por ellos, en forma de calor y trabajo, por lo que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.”

Matemáticamente, la primera Ley de la termodinámica se expresa como:

Segunda ley de la termodinámica

La energía térmica no fluye en forma espontánea de un sistema frío a otro caliente. Sólo cuando se tienen dos sistemas con diferentes temperaturas se puede utilizar la energía térmica para producir trabajo.

El calor fluye espontáneamente del sistema caliente al frío hasta que se igualan las temperaturas. Durante este proceso, parte del calor se transforma en energía mecánica a fin de efectuarse un trabajo, pero no todo el calor puede ser convertido en trabajo mecánico. Sin embargo, la energía no se pierde, sólo es no utilizable.

La segunda ley de la termodinámica establece:

1.- El calor sólo puede pasar de un cuerpo a otro por medio de un agente externo.

2.- No es posible construir una máquina térmica que transforme todo el calor en trabajo.

Bibliografía

1. Levine, N. (2004) Fisicoquimica. Vol1. 5ta edición. Ed. McGraw-Hill. España.
2. Lopez, F. (2001) Física. 1ra edición. Ed. CBTis. México