principios de la termodinámica conceptos básicos. definiciones
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Principios de la TermodinámicaPrincipios de la TermodinámicaConceptos Básicos. DefinicionesConceptos Básicos. DefinicionesPrincipios de la TermodinámicaPrincipios de la Termodinámica
Conceptos Básicos. DefinicionesConceptos Básicos. Definiciones
La termodinámica clásica puede definirse La termodinámica clásica puede definirse
como como el estudio de las propiedades de el estudio de las propiedades de
sistemas macroscópicos en equilibrio. sistemas macroscópicos en equilibrio.
Está sustentada en un pequeño número de Está sustentada en un pequeño número de
principios básicos denominados principios básicos denominados leyes de la leyes de la
termodinámica,termodinámica, las que resultan de inferencias y las que resultan de inferencias y
generalizaciones de un gran número de generalizaciones de un gran número de
experimentos y observaciones realizados en experimentos y observaciones realizados en
sistemas macroscópicos. sistemas macroscópicos.
Se trata de leyes fenomenológicas Se trata de leyes fenomenológicas
justificadas por su acierto en la descripción justificadas por su acierto en la descripción
de los fenómenos macroscópicos. Prescinde de los fenómenos macroscópicos. Prescinde
de conceptos atómicos y describe las de conceptos atómicos y describe las
propiedades macroscópicas accesibles propiedades macroscópicas accesibles
experimentalmente, como experimentalmente, como volumen, presión volumen, presión
y temperatura. y temperatura.
Trataremos a continuación de precisar el Trataremos a continuación de precisar el
significado de los términos utilizados en significado de los términos utilizados en
esta definición. esta definición.
Se utilizará la palabra Se utilizará la palabra sistemasistema -en las frases -en las frases
sistema macroscópico sistema macroscópico o o sistema termodinámicosistema termodinámico- -
para significar una porción del universo delimitada para significar una porción del universo delimitada
por una superficie matemática cerrada. por una superficie matemática cerrada.
Esta superficie puede ser Esta superficie puede ser real,real, como la del como la del
recipiente que contiene un líquido o un gas en recipiente que contiene un líquido o un gas en
estudio, o puede ser estudio, o puede ser ficticia,ficticia, como ocurre al como ocurre al
estudiar el comportamiento de un elemento de estudiar el comportamiento de un elemento de
volumen sumergido en un líquido en equilibrio. volumen sumergido en un líquido en equilibrio.
El entorno o alrededores de un sistema es El entorno o alrededores de un sistema es
la parte del resto del universo más la parte del resto del universo más
cercana a él y con el cual puede cercana a él y con el cual puede
interactuar directamente. interactuar directamente.
En su relación o interacción con su En su relación o interacción con su
entorno se pueden considerar los entorno se pueden considerar los
siguientes casos: siguientes casos:
a) Diremos que el sistema a) Diremos que el sistema está aislado cuando está aislado cuando
no tiene interacción alguna con su entornono tiene interacción alguna con su entorno. .
Una superficie, pared o envoltura que impida Una superficie, pared o envoltura que impida
toda interacción con el entorno, excepto un toda interacción con el entorno, excepto un
desplazamiento o deformación, se desplazamiento o deformación, se
denominará denominará "adiabática". "adiabática".
Se excluyen de toda consideración las fuerzas a Se excluyen de toda consideración las fuerzas a
distancia. A este respecto caben dos comentarios. distancia. A este respecto caben dos comentarios.
1)1)que la envoltura adiabática se ha definido sin que la envoltura adiabática se ha definido sin
utilizar la palabra calor; utilizar la palabra calor;
2)2)que tal envoltura se puede obtener con gran que tal envoltura se puede obtener con gran
aproximación en la práctica por medio de un frasco aproximación en la práctica por medio de un frasco
de Dewar. de Dewar.
Sin esto la termodinámica sería totalmente imposible, Sin esto la termodinámica sería totalmente imposible,
ya que sin este recurso no habría ningún calorímetro ya que sin este recurso no habría ningún calorímetro
y el mismo calor no se podría medir. y el mismo calor no se podría medir.
b) Diremos que el sistema b) Diremos que el sistema es cerrado es cerrado
cuando no intercambia materia con su cuando no intercambia materia con su
entornoentorno. Una pared o envoltura de este . Una pared o envoltura de este
tipo se denomina tipo se denomina diatérmana o diatérmana o
diatérmicadiatérmica. .
Esta pared sólo determina la imposibilidad de Esta pared sólo determina la imposibilidad de
intercambio de materia, pero permite el intercambio de materia, pero permite el
intercambio de energía aún cuando se intercambio de energía aún cuando se
mantenga rígida. Cuando dos sistemas están mantenga rígida. Cuando dos sistemas están
separados por este tipo de pared se dirá que separados por este tipo de pared se dirá que
se encuentran en contacto térmico. se encuentran en contacto térmico.
c) Diremos que el sistema c) Diremos que el sistema es abierto cuando es abierto cuando
puede intercambiar materia con su entorno. puede intercambiar materia con su entorno.
Una pared o envoltura que lo permite se Una pared o envoltura que lo permite se
denomina permeable.denomina permeable.
Desde el punto de vista macroscópico, la descripción Desde el punto de vista macroscópico, la descripción
de la condición física de un sistema se realiza de la condición física de un sistema se realiza
mediante un conjunto de atributos denominados mediante un conjunto de atributos denominados
parámetros o variables termodinámicas, tales como parámetros o variables termodinámicas, tales como
presión, volumen, temperatura, tensión, energía, presión, volumen, temperatura, tensión, energía,
campo eléctrico, etc., que pueden ser medidos campo eléctrico, etc., que pueden ser medidos
experimentalmente. El estado termodinámico de un experimentalmente. El estado termodinámico de un
sistema está determinado por el conjunto de valores sistema está determinado por el conjunto de valores
que asuman sus variables termodinámicas. que asuman sus variables termodinámicas.
Cuando el estado de un sistema no cambia con el Cuando el estado de un sistema no cambia con el
tiempo tiempo se dice que está en equilibrio. se dice que está en equilibrio. En este caso los En este caso los
valores del conjunto de parámetros termodinámicos valores del conjunto de parámetros termodinámicos
permanecen constantes. El estado de equilibrio de un permanecen constantes. El estado de equilibrio de un
sistema sistema está determinado por unas pocas variables está determinado por unas pocas variables
termodinámicas. termodinámicas. Estas variables determinan todas las Estas variables determinan todas las
otras variables del sistema. Las propiedades que sólo otras variables del sistema. Las propiedades que sólo
dependen del estado del sistema se denominan dependen del estado del sistema se denominan
funciones de estado.funciones de estado.
En particular, el estado de un fluido homogéneo En particular, el estado de un fluido homogéneo
está totalmente determinado por su masa está totalmente determinado por su masa mm, ,
volumen volumen VV y presión y presión pp Su temperatura Su temperatura T T resulta resulta
entonces una función de estado determinado por entonces una función de estado determinado por
estos, es decir estos, es decir
[1][1]),,( VpmfT
La ecuación [1] se denomina la ecuación de La ecuación [1] se denomina la ecuación de
estado de un fluido. Por supuesto, se podría estado de un fluido. Por supuesto, se podría
haber elegido otras variables independientes haber elegido otras variables independientes
para especificar el estado de un fluido, por para especificar el estado de un fluido, por
ejemplo, ejemplo, mm, , VV y y TT, y expresar , y expresar pp a partir de la a partir de la
ecuación [1]. ecuación [1].
En el caso indicado se ha hecho uso de la En el caso indicado se ha hecho uso de la
propiedad característica de un fluido, es decir, que propiedad característica de un fluido, es decir, que
sus propiedades termodinámicas son sus propiedades termodinámicas son
independientes de su forma. Esto hace de un fluido independientes de su forma. Esto hace de un fluido
un sistema muy simple de estudiar. En general, un sistema muy simple de estudiar. En general,
sistemas más complejos requieren un mayor sistemas más complejos requieren un mayor
número de parámetros para determinar número de parámetros para determinar
unívocamente un estado y conducen a una unívocamente un estado y conducen a una
ecuación de estado más compleja. ecuación de estado más compleja.
Esta forma de describir un sistema no sirve Esta forma de describir un sistema no sirve
cuando su estado no sólo depende de los valores cuando su estado no sólo depende de los valores
instantáneos de ciertos parámetros, sino además instantáneos de ciertos parámetros, sino además
de su historia previa, como ocurre en el caso de de su historia previa, como ocurre en el caso de
efectos de histéresis que se producen en efectos de histéresis que se producen en
materiales ferromagnéticos o en sólidos materiales ferromagnéticos o en sólidos
deformados plásticamente. deformados plásticamente.
Cuando el estado de un sistema cambia, se dice Cuando el estado de un sistema cambia, se dice
que ha sufrido una transformación que ha sufrido una transformación
termodinámica. En particular, si un sistema termodinámica. En particular, si un sistema
pasa de un estado a otro por una sucesión de pasa de un estado a otro por una sucesión de
estados de equilibrio, se dirá que la estados de equilibrio, se dirá que la
transformación experimentada por dicho transformación experimentada por dicho
sistema es cuasiestática.sistema es cuasiestática.
(Un proceso cuasiestático representa una (Un proceso cuasiestático representa una
idealización de la realidad. Para producir idealización de la realidad. Para producir
cambios reales debe haber diferencia de cambios reales debe haber diferencia de
presiones, de temperaturas, etc. Pero haciendo presiones, de temperaturas, etc. Pero haciendo
que estas diferencias sean lo suficientemente que estas diferencias sean lo suficientemente
pequeñas se puede conseguir que el sistema se pequeñas se puede conseguir que el sistema se
encuentre tan cerca del equilibrio como se encuentre tan cerca del equilibrio como se
desee).desee).
Las variables termodinámicas se pueden Las variables termodinámicas se pueden
clasificar en dos categorías: clasificar en dos categorías: intensivas y intensivas y
extensivasextensivas. .
Se llaman Se llaman intensivasintensivas si no son afectadas al si no son afectadas al
dividir un sistema termodinámico en equilibrio dividir un sistema termodinámico en equilibrio
en subsistemas mediante paredes diatérmanas en subsistemas mediante paredes diatérmanas
que mantienen a su vez cada subsistema en que mantienen a su vez cada subsistema en
equilibrio. En consecuencia estas variables equilibrio. En consecuencia estas variables
resultan independientes del tamaño o de la resultan independientes del tamaño o de la
masa del sistema termodinámico. masa del sistema termodinámico.
Ejemplos de variables intensivas:Ejemplos de variables intensivas:
- la presiónla presión
- la temperatura y la temperatura y
- el potencial químicoel potencial químico
Una variable termodinámica se dice Una variable termodinámica se dice extensiva extensiva
cuando varía en relación con la extensión o la cuando varía en relación con la extensión o la
masa del sistema. masa del sistema.
Ejemplos de variables extensivas son:Ejemplos de variables extensivas son:
- la energía y la energía y
- la entropía. la entropía.
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