TERMODINMICALa termodinmica ofrece un aparato formal aplicable nicamente aestados de equilibrio, definidos como aquel estado hacia el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrnsecos y no por influencias externas previamente aplicadas. Tales estados terminales de equilibrio son, por definicin, independientes del tiempo, y todo el aparato formal de la termodinmica todas las leyes y variables termodinmicas, se definen de tal modo que podra decirse que un sistema est en equilibrio si sus propiedades pueden describirse consistentemente empleando la teora termodinmica. Los estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las restricciones a las que est sometido. Por medio de los cambios producidos en estas restricciones (esto es, al retirar limitaciones tales como impedir la expansin del volumen del sistema, impedir el flujo de calor, etc.), el sistema tender a evolucionar de un estado de equilibrio a otro; comparando ambos estados de equilibrio, la termodinmica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energa trmica entre sistemas trmicos diferentes.Como ciencia fenomenolgica, la termodinmica no se ocupa de ofrecer una interpretacin fsica de sus magnitudes. La primera de ellas, laenerga interna, se acepta como una manifestacin macroscpica de las leyes de conservacin de la energa a nivel microscpico, que permite caracterizar el estado energtico del sistema macroscpico y de las areas sensibles de un movil. El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinmicas son los que postulan que la energa puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor otrabajo, y que slo puede hacerse de una determinada manera. Tambin se introduce una magnitud llamadaentropa,que se define como aquella funcin extensiva de la energa interna, el volumen y la composicin molar que toma valores mximos en equilibrio: el principio de maximizacin de la entropa define el sentido en el que el sistema evoluciona de un estado de equilibrio a otro. Es lamecnica estadstica, ntimamente relacionada con la termodinmica, la que ofrece una interpretacin fsica de ambas magnitudes: la energa interna se identifica con la suma de las energas individuales de los tomos y molculas del sistema, y la entropa mide el grado deordeny el estado dinmico de los sistemas, y tiene una conexin muy fuerte con lateora de informacin.En la termodinmica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos comosistema termodinmicoy su contorno. Un sistema termodinmico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre s mediante lasecuaciones de estado. stas se pueden combinar para expresar laenerga internay lospotenciales termodinmicos, tiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontneos.

Nicolas Lonard Sadi Carnot, considerado como el "padre de la termodinmica "Sistema termodinmicoSe puede definir unsistemacomo un conjunto de materia, que est limitado por una superficie, que le pone el observador, real o imaginaria. Si en el sistema no entra ni sale materia, se dice que se trata de unsistema cerrado, osistema aisladosi no hay intercambio de materia y energa, dependiendo del caso. En la naturaleza, encontrar un sistema estrictamente aislado es, por lo que sabemos, imposible, pero podemos hacer aproximaciones. Un sistema del que sale y/o entra materia, recibe el nombre deabierto. Ponemos unos ejemplos: Un sistema abierto: se da cuando existe un intercambio de masa y de energa con los alrededores; es por ejemplo, un coche. Le echamos combustible y l desprende diferentes gases y calor. Un sistema cerrado: se da cuando no existe un intercambio de masa con el medio circundante, slo se puede dar un intercambio de energa; un reloj de cuerda, no introducimos ni sacamos materia de l. Solo precisa un aporte de energa que emplea para medir el tiempo. Un sistema aislado: se da cuando no existe el intercambio ni de masa y energa con los alrededores;Cmo encontrarlo si no podemos interactuar con l?Sin embargo un termo lleno de comida caliente es una aproximacin, ya que el envase no permite el intercambio de materia e intenta impedir que la energa (calor) salga de l. El universo es un sistema aislado, ya que la variacin de energa es ceroMedio externoSe llamamedio externooambientea todo aquello que no est en el sistema pero que puede influir en l. Por ejemplo, consideremos una taza con agua, que est siendo calentada por un mechero. Consideremos un sistema formado por la taza y el agua, entonces el medio est formado por el mechero, el aire, etc.

Equilibrio trmicoToda sustancia por encima de los 0 kelvin (-273,15C) emite calor. Si dos sustancias en contacto se encuentran a diferente temperatura, una de ellas emitir ms calor y calentar a la ms fra. El equilibrio trmico se alcanza cuando ambas emiten, y recibenla misma cantidad de calor, lo que iguala su temperatura. Nota: estrictamente sera la misma cantidad de calor por gramo, ya que una mayor cantidad de sustancia emite ms calor a la misma temperatura.

Variables termodinmicasLas variables que tienen relacin con el estado interno de un sistema, se llamanvariables termodinmicasocoordenadas termodinmicas, y entre ellas las ms importantes en el estudio de la termodinmica son: lamasa elvolumen ladensidad lapresin latemperaturaEn termodinmica es muy importante estudiar sus propiedades, las cules podemos dividirlas en dos: propiedades intensivas: son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamao de un sistema, por lo que su valor permanece inalterado al subdividir el sistema inicial en varios subsistemas, por este motivo no son propiedades aditivas. propiedades extensivas: son las que dependen de la cantidad de sustancia del sistema, y son recprocamente equivalentes a las intensivas. Una propiedad extensiva depende por tanto del tamao del sistema. Una propiedad extensiva tiene la propiedad de ser aditiva en el sentido de que si se divide el sistema en dos o ms partes, el valor de la magnitud extensiva para el sistema completo es la suma de los valores de dicha magnitud para cada una de las partes.Algunos ejemplos de propiedades extensivas son la masa, el volumen, el peso, cantidad de sustancia, energa, entropa, entalpa, etc. En general el cociente entre dos magnitudes extensivas nos da una magnitud intensiva, por ejemplo la divisin entre masa y volumen nos da la densidad.Estado de un sistemaUn sistema que puede describirse en funcin de coordenadas termodinmicas se llama sistema termodinmico y la situacin en la que se encuentra definido por dichas coordenadas se llama estado del sistema.

Equilibrio trmicoUn estado en el cual dos coordenadas termodinmicas independientes X y Y permanecen constantes mientras no se modifican las condiciones externas se dice que se encuentra en equilibrio trmico. Si dos sistemas se encuentran en equilibrio trmico se dice que tienen la mismatemperatura. Entonces se puede definir la temperatura como una propiedad que permite determinar si un sistema se encuentra o no en equilibrio trmico con otro sistema.El equilibrio trmico se presenta cuando dos cuerpos con temperaturas diferentes se ponen en contacto, y el que tiene mayor temperatura cede energa trmica en forma de calor al que tiene ms baja, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura.Algunas definiciones tiles en termodinmica son las siguientes.Foco trmicoUnfoco trmicoes un sistema que puede entregar y/o recibircalor, pero sin cambiar sutemperatura.Contacto trmicoSe dice que dos sistemas estn en contacto trmico cuando puede haber transferencia de calor de un sistema a otro.

Procesos termodinmicosSe dice que un sistema pasa por un proceso termodinmico, o transformacin termodinmica, cuando al menos una de las coordenadas termodinmicas no cambia. Los procesos ms importantes son: Procesos isotrmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia.Se denominaproceso isotrmicooproceso isotermoal cambio reversible en unsistema termodinmico, siendo dicho cambio atemperaturaconstante en todo el sistema. Lacompresinoexpansinde ungas idealpuede llevarse a cabo colocando el gas en contacto trmico con otro sistema deCapacidad calorficamuy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce comofoco calrico. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como laenerga internade un gas ideal slo depende de la temperatura y sta permanece constante en la expansin isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q = W.Una curva isoterma es una lnea que sobre undiagramarepresenta los valores sucesivos de las diversas variables de un sistema en un proceso isotermo. Las isotermas de un gas ideal en undiagrama P-V, llamadodiagrama de Clapeyron, son hiprbolas equilteras, cuya ecuacin es PV = constante.

Procesos isobricos: son procesos en los cuales la presin no vara.Unproceso isobricoes unproceso termodinmicoque ocurre a presin constante. La Primera Ley de la Termodinmica, para este caso, queda expresada como sigue: ,

Donde:=Calortransferido.=Energa interna.=Presin.=Volumen.

En un diagrama P-V, un proceso isobrico aparece como una lnea horizontal.

Grfica Volumen vs Presin: en el proceso isobrico la presin es constante. El trabajo (W) es la integral de la presin respecto al volumen.

Procesos iscoros: son procesos en los que el volumen permanece constante.Unproceso isocrico, tambin llamadoproceso isomtricooisovolumtricoes unproceso termodinmicoen el cual el volumen permanece constante;. Esto implica que el proceso no realizatrabajopresin-volumen, ya que ste se define como:,dondePes la presin (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).En un diagramaP-V, un proceso isocrico aparece como una lnea vertical.

Proceso isocrico en un diagrama P-V.

Clculo del Trabajo (W)Puesto que no existe desplazamiento, el trabajo realizado por el gas es nulo.

Clculo de la Variacin de la Energa Interna (U)Aplicando laprimera ley de la termodinmica, podemos deducir que U, el cambio de laenerga internadel sistema, es:

para un proceso isocrico, es decir a volumen constante, todo elcalorque transfiramos al sistema aumentar a su energa internaU.

Procesos adiabticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.Entermodinmicase designa comoproceso adiabticoa aqul en el cual elsistema(generalmente, unfluidoque realiza untrabajo) no intercambiacalorcon su entorno. Un proceso adiabtico que es adems reversible se conoce comoproceso isoentrpico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la mxima transferencia de calor, causando que latemperaturapermanezca constante, se denominaproceso isotrmico.El trminoadiabticohace referencia a elementos que impiden la transferencia decalorcon el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un lmite adiabtico. Otro ejemplo es la temperatura adiabtica de llama, que es la temperatura que podra alcanzar una llama si no hubiera prdida de calor hacia el entorno. En climatizacin los procesos de humectacin (aporte devapor de agua) son adiabticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.El calentamiento y enfriamiento adiabtico son procesos que comnmente ocurren debido al cambio en lapresinde ungas. Esto puede ser cuantificado usando laley de los gases ideales.En otras palabras se considera proceso adiabtico a un sistema especial en el cual no se pierde ni tampoco se gana energa calorfica. Esto viene definido segn la primera ley de termodinmica describiendo que Q=0Si se relaciona el tema del proceso adiabtico con las ondas, se debe tener en cuenta que el proceso o carcter adiabtico solo se produce en las ondas longitudinalesFormulacin matemticaLa ecuacin matemtica que describe un proceso adiabtico en ungases

dondePes lapresindel gas,Vsu volumen y

elcoeficiente adiabtico, siendoelcalor especficomolar a presin constante yel calor especfico molar a volumen constante. Para un gas monoatmico ideal,. Para un gas diatmico (como elnitrgenoo eloxgeno, los principales componentes del aire)

Durante un proceso adiabtico, laenerga internadel fluido que realiza el trabajo debe necesariamente decrecer.

Procesos diatrmicos: son procesos que dejan pasar el calor fcilmente.Entermodinmica, unproceso isentrpico,a veces llamadoproceso isoentrpico(combinacin de la palabragriega"iso" - igual - y "entropa"), es aquel en el que la entropa delfluidoque forma el sistema permanece constante.Segn lasegunda ley de la termodinmica, se puede decir que:

dondees la cantidad de energa que el sistema gana por calentamiento,es latemperaturade la fuente trmica que interviene en el proceso (si el proceso es reversible la temperatura de la fuente trmica ser igual a la del sistema), yes el cambio en la entropa del sistema en dicho proceso. El smbolo de igualdad implicara unproceso reversible. En unproceso isentrpico reversibleno hay transferencia de energa calorfica, y por tanto el proceso es tambinadiabtico. En un proceso adiabtico irreversible, la entropa se incrementar, de modo que es necesario eliminar el calor del sistema (medianterefrigeracin) para mantener una entropa constante. Por lo tanto, un proceso isentrpico irreversible no es adiabtico.Para procesos reversibles, una transformacin isentrpica se realiza mediante elaislamiento trmicodel sistema respecto a su entorno. (proceso adiabtico).La temperatura es la variable termodinmicaconjugadade la entropa, de modo que el proceso conjugado serisotrmico, y el sistema estar termicamenteconectadoa un bao caliente de temperatura constante. Los procesos isotrmicos no son isentrpicos. Procesos isoentrpicos: procesos adiabticos y reversibles. Procesos en los que la entropa no vara.

Por ejemplo, dentro de un termo donde se colocan agua caliente y cubos de hielo, ocurre unproceso adiabtico, ya que el agua caliente se empezar a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezar a derretir hasta que ambos estn en equilibrio trmico, sin embargo no hubo transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de un proceso adiabtico.

Leyes de la termodinmica

Principio cero de la termodinmicaEsteprincipioo ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominadatemperatura emprica, que es comn para todos los estados deequilibrio termodinmicoque se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.En palabras llanas: Si pones en contacto un objeto con menor temperatura con otro con mayor temperatura, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan.Tiene una gran importancia experimental pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema pero no resulta tan importante en el marco terico de la termodinmica.Elequilibrio termodinmicode un sistema se define como la condicin del mismo en el cual las variables empricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presin, volumen, campo elctrico, polarizacin, magnetizacin, tensin lineal, tensin superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parmetro cintico, asociado a nivel microscpico; el cual a su vez est dentro de la fsico qumica y no es parmetro debido a que a la termodinmica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final. A dichas variables empricas (experimentales) de un sistema se las conoce comocoordenadas trmicas y dinmicasdel sistema.Este principio fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta despus de haberse enunciado las otras tres leyes. De ah que recibiese el nombre de principio cero.

Primera ley de la termodinmicaTambin conocida comoprincipiodeconservacin de la energapara la termodinmica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien ste intercambia calor con otro, laenerga internadel sistema cambiar.Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energa necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entretrabajoy energa interna. Fue propuesta porNicolas Lonard Sadi Carnoten1824, en su obraReflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las mquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinmica. Esta obra fue incomprendida por los cientficos de su poca, y ms tarde fue utilizada porRudolf ClausiusyLord Kelvinpara formular, de una manera matemtica, las bases de la termodinmica.La ecuacin general de la conservacin de la energa es la siguiente:

Que aplicada a la termodinmica teniendo en cuenta elcriterio de signos termodinmico, queda de la forma:

Donde U es la energa interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.Esta ltima expresin es igual de frecuente encontrarla en la formaU = Q + W. Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia est en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional (vasecriterio de signos termodinmico).

Segunda ley de la termodinmicaEsta ley marca la direccin en la que deben llevarse a cabo losprocesos termodinmicosy, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeo volumen). Tambin establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energa de un tipo en otro sin prdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energa que hipotticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta slo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud fsica llamadaentropa, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energa con su entorno), la variacin de la entropa siempre debe ser mayor que cero.Debido a esta ley tambin se tiene que el flujo espontneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio trmico.La aplicacin ms conocida es la de las mquinas trmicas, que obtienen trabajo mecnico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero fro. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecnico obtenido.Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacndose el de Clausius y el de Kelvin.

Enunciado de Clausius

En palabras de Sears es: No es posible ningn proceso cuyo nico resultado sea la extraccin de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorcin de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura ms elevada.Enunciado de KelvinPlanck

Es imposible construir una mquina trmica que, operando en unciclo, no produzca otro efecto que la absorcin de energa desde un depsito, con la realizacin de una cantidad igual de trabajo.Otra interpretacinEs imposible construir una mquina trmica cclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energa termodinmica del ambiente. Debido a esto podemos concluir, que el rendimiento energtico de una mquina trmica cclica que convierte calor en trabajo, siempre ser menor a la unidad, y sta estar ms prxima a la unidad, cuanto mayor sea el rendimiento energtico de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento energtico de una mquina trmica, menor ser el impacto en el ambiente, y viceversa.

Tercera ley de la termodinmica

Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado de Nernst como "la tercera de las leyes de la termodinmica". Es importante reconocer que no es una nocin exigida por la termodinmica clsica por lo que resulta inapropiado tratarlo de ley, siendo incluso inconsistente con la mecnica estadstica clsica y necesitando el establecimiento previo de la estadstica cuntica para ser valorado adecuadamente. La mayor parte de la termodinmica no requiere la utilizacin de este postulado.El postulado de Nernst, llamado as por ser propuesto porWalther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual alcero absolutomediante un nmero finito de procesos fsicos. Puede formularse tambin como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropa tiende a un valor constante especfico. La entropa de los slidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto.Es importante remarcar que los principios o leyes de la termodinmica son vlidas siempre para los sistemas macroscpicos, pero inaplicables a nivel microscpico. La idea deldemonio de Maxwellayuda a comprender los lmites de la segunda ley de la termodinmica jugando con las propiedades microscpicas de las partculas que componen un gas.