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Termodinámica

La termodinámica es la rama de la física que describe los estados de equilibrio termodinámico a nivel macroscópico. El Diccionario de la lengua española de la Real Academia Española, por su parte, define la termodinámica como la rama de la física encargada del estudio de la interacción entre el calor y otras manifestaciones de la energía.[1]​ Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental.[2]​ Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la Energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema,[3]​ o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes, tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también se pueden tratar por medio de la termodinámica.[4]

Transferencia de calor por convección.
Máquina térmica típica donde se puede observar la entrada desde una fuente de calor (caldera) a la izquierda y la salida a un disipador de calor (condensador) a la derecha. El trabajo se extrae en este caso mediante una serie de pistones.
Versión en color anotada de la máquina de calor Carnot original de 1824 que muestra el cuerpo caliente (caldera), el cuerpo de trabajo (sistema, vapor) y el cuerpo frío (agua), las letras etiquetadas de acuerdo con los puntos de parada en el ciclo de Carnot

La termodinámica trata los procesos de transferencia de calor, que es una de las formas de energía y cómo se puede realizar un trabajo con ella. En esta área se describe cómo la materia en cualquiera de sus fases (sólido, líquido, gaseoso) va transformándose. Desde un punto de vista macroscópico de la materia, se estudia cómo esta reacciona a cambios en su volumen, presión y temperatura, entre otras magnitudes. La termodinámica se basa en cuatro[[principios de la termodinámica] los cuales son]]: el equilibrio termodinámico (o principio cero), el principio de conservación de la energía (primer principio), el aumento temporal de la entropía (segundo principio) y la imposibilidad del cero absoluto (tercer principio).[5]

Una consecuencia de la termodinámica es lo que hoy se conoce como física estadística. Esta rama estudia, al igual que la termodinámica, los procesos de transferencia de calor, pero, al contrario a la anterior, desde un punto de vista molecular. La materia, como se conoce, está compuesta por moléculas, y el conocer el comportamiento de una sola de sus moléculas nos lleva a medidas erróneas. Por eso se debe tratar como un conjunto de elementos caóticos o aleatorios y se utiliza el lenguaje estadístico y consideraciones mecánicas para describir comportamientos macroscópicos de este conjunto molecular microscópico.[6]

La termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio,[7]​ 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 intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas».[3]​Tales estados terminales de equilibrio son, por definición, independientes del tiempo, y todo el aparato formal de la termodinámica —todas las leyes y variables termodinámicas— se definen de tal modo que se podría decir que un sistema está en equilibrio si sus propiedades se pueden describir consistentemente empleando la teoría termodinámica.[3]​Los estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las restricciones a las que esté sometido. Por medio de los cambios producidos en estas restricciones (esto es, al retirar limitaciones tales como impedir la expansión del volumen del sistema, impedir el flujo de calor, etc.), el sistema tenderá a evolucionar de un estado de equilibrio a otro;[8]​ comparando ambos estados de equilibrio, la termodinámica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energía térmica entre sistemas térmicos diferentes.

Como ciencia fenomenológica, la termodinámica no se ocupa de ofrecer una interpretación física de sus magnitudes. La primera de ellas, la energía interna, se acepta como una manifestación macroscópica de las leyes de conservación de la energía a nivel microscópico, que permite caracterizar el estado energético del sistema macroscópico (macroestado).[9]​ El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son los que postulan que la energía se puede intercambiar entre sistemas en forma de calor o trabajo, y que solo se puede hacer de una determinada manera. También se introduce una magnitud llamada entropía,[10]​ que se define como aquella función extensiva de la energía interna, el volumen y la composición molar que toma valores máximos en equilibrio: el principio de maximización de la entropía define el sentido en el que el sistema evoluciona de un estado de equilibrio a otro.[11]​ Es la física estadística, íntimamente relacionada con la termodinámica, la que ofrece una interpretación física de ambas magnitudes: la energía interna se identifica con la suma de las energías individuales de los átomos y moléculas del sistema, y la entropía mide el grado de orden y el estado dinámico de los sistemas, y tiene una conexión muy fuerte con la teoría de información.[12]​ En la termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinámico y su contorno. Un sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante las ecuaciones de estado. Estas se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, útiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontáneos.

Con estas herramientas, la termodinámica describe cómo los sistemas reaccionan a los cambios en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de ramas de la ciencia y de la ingeniería, tales como motores, cambios de fase, reacciones químicas, fenómenos de transporte e incluso agujeros negros.

Historia

 
El 1698 Savery Motor — primera máquina de vapor comercialmente útil del mundo. Construido por Thomas Savery

La historia de la termodinámica es una pieza fundamental en la historia de la física, la historia de la química, y la historia de la ciencia en general. Debido a la relevancia de la termodinámica en muchas áreas de la ciencia y la tecnología, su historia está finamente tejida con los desarrollos de la mecánica clásica, mecánica cuántica, magnetismo, y la cinética química, para aplicar a campos más distante tales como la meteorología, teoría de información, y biología (fisiología), y a desarrollos tecnológicos como la máquina de vapor, motor de combustión interna, criogenia y generación de electricidad. El desarrollo de la termodinámica fue motivado y dirigido por la teoría atómica. También, aunque de una manera sutil, motivó nuevas direcciones en probabilidad y estadística; vea, por ejemplo, la línea de tiempo de la termodinámica.

La historia de la termodinámica como disciplina científica se considera generalmente que comienza con Otto von Guericke quien, en 1650, construyó y diseñó la primera bomba de vacío y demostró las propiedades del vacío usando sus hemisferios de Magdeburgo. Guericke fue impulsado a hacer el vacío con el fin de refutar la suposición de Aristóteles que «la naturaleza aborrece el vacío». Poco después de Guericke, el físico y químico Robert Boyle estudió y mejoró los diseños de Guericke y en 1656, en coordinación con el científico Robert Hooke, construyó una bomba de aire. Con esta bomba, Boyle y Hooke observaron una correlación entre la presión, temperatura y volumen. Con el tiempo, se formularon la ley de Boyle, indicando que para un gas a temperatura constante, la presión y el volumen son inversamente proporcionales y otras leyes de los gases.

En 1679, un asociado de Boyle, Denis Papin basándose en estos conceptos, construyó un digestor de vapor, que era un recipiente cerrado con una tapa de cierre hermético en el que el vapor confinado alcanzaba una alta presión, aumentando el punto de ebullición y acortando el tiempo de cocción de los alimentos.

En 1697, el ingeniero Thomas Savery, a partir de los diseños de Papin, construyó el primer motor térmico, seguido por Thomas Newcomen en 1712. Aunque estos primeros motores eran toscos y poco eficientes, atrajeron la atención de los científicos más destacados de la época.

En 1733, Bernoulli usó métodos estadísticos, junto con la mecánica clásica, para extraer resultados de la hidrodinámica, iniciando la física estadística.

En 1781 los conceptos de capacidad calorífica y calor latente, fueron desarrollados por el profesor Joseph Black de la Universidad de Glasgow, donde James Watt trabajó como fabricante de instrumentos. Watt consultó con Black en las pruebas de la máquina de vapor, pero fue Watt quien concibió la idea del condensador externo, aumentando grandemente la eficiencia de la máquina de vapor.

En 1783, Antoine Lavoisier propone la teoría calórica.

En 1798 Benjamin Thompson, conde de Rumford, demostró la conversión del trabajo mecánico en calor.

 
Nicolas Léonard Sadi Carnot, considerado como el «padre de la termodinámica»

Sobre la base de todo este trabajo previo, Sadi Carnot, el «padre de la termodinámica», publicó en 1824 Reflexiones sobre la energía motriz del fuego, un discurso sobre la eficiencia térmica, la energía, la energía motriz y el motor. El documento describe las relaciones básicas energéticas entre la máquina de Carnot, el ciclo de Carnot y energía motriz, marcando el inicio de la termodinámica como ciencia moderna.

El primer libro de texto sobre termodinámica fue escrito en 1859 por William Rankine, quien originalmente se formó como físico y profesor de ingeniería civil y mecánica en la Universidad de Glasgow. El primer y segundo principios de termodinámica surgieron simultáneamente en la década de 1850, principalmente por las obras de Germain Henri Hess, William Rankine, Rudolf Clausius, James Prescott Joule y William Thomson (Lord Kelvin).

Los fundamentos de la termodinámica estadística se establecieron por los físicos como James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius, Johannes van der Waals y Josiah Willard Gibbs.

Desde 1873 hasta el 76, el físico matemático estadounidense Josiah Willard Gibbs publicó una serie de tres artículos, siendo la más famosa Sobre el equilibrio de las sustancias heterogéneas. Gibbs demostró cómo los procesos termodinámicos, incluyendo reacciones químicas, se podrían analizar gráficamente. Mediante el estudio de la energía, la entropía, potencial químico, la temperatura y la presión del sistema termodinámico, se puede determinar si un proceso se produce espontáneamente. La termodinámica química y la fisicoquímica fueron desarrolladas además por Walther Nernst, Pierre Duhem, Gilbert N. Lewis, Jacobus Henricus van 't Hoff, y Théophile de Donder, entre otros, aplicando los métodos matemáticos de Gibbs.

También fueron de importancia para la termodinámica los desarrollos en termometría y manometría.

Etimología

La etimología de termodinámica tiene una historia intrincada.[13]​ Se escribió por primera vez con un guion como adjetivo (termodinámica) y desde 1854 hasta 1868 como el sustantivo termodinámica para representar la ciencia de los motores térmicos generalizados.[13]​El biofísico estadounidense Donald Haynie afirma que termodinámica fue acuñada en 1840 a partir de la raíz griega θέρμη therme, que significa «calor», y δύναμις dynamis, que significa «poder».[14]

Pierre Perrot afirma que el término termodinámica fue acuñado por James Joule en 1858 para designar la ciencia de las relaciones entre el calor y la energía,[15]​ sin embargo, Joule nunca utilizó ese término, sino que utilizó en su lugar el término motor termodinámico perfecto en referencia a la fraseología de Thomson de 1849.[16]

Para 1858, termodinámica, como término funcional, se utilizó en el artículo de William Thomson "Un relato de la teoría de Carnot sobre la potencia motriz del calor".[16]

Ramas de la termodinámica

El estudio de los sistemas termodinámicos se ha desarrollado en varias ramas relacionadas, cada una de las cuales utiliza un modelo fundamental diferente como base teórica o experimental, o aplica los principios a distintos tipos de sistemas.

Termodinámica clásica

La termodinámica clásica es la descripción de los estados de los sistemas termodinámicos en situación de casi equilibrio, que utiliza propiedades macroscópicas y medibles. Se utiliza para modelar los intercambios de energía, trabajo y calor basándose en los principios de termodinámica. El calificativo clásico refleja el hecho de que representa el primer nivel de comprensión del tema tal y como se desarrolló en el siglo XIX y describe los cambios de un sistema en términos de parámetros empíricos macroscópicos (a gran escala y medibles). Una interpretación microscópica de estos conceptos fue proporcionada posteriormente por el desarrollo de la física estadística.

Física estadística

La física estadística, también conocida como termodinámica estadística, surgió con el desarrollo de las teorías atómicas y moleculares a finales del siglo XIX y principios del XX, y complementó la termodinámica clásica con una interpretación de las interacciones microscópicas entre partículas individuales o estados mecánicos cuánticos. Este campo relaciona las propiedades microscópicas de los átomos y las moléculas individuales con las propiedades macroscópicas de los materiales que pueden observarse a escala humana, explicando así la termodinámica clásica como un resultado natural de la estadística, la mecánica clásica y la teoría cuántica a nivel microscópico.

Termodinámica química

Termodinámica química es el estudio de la interrelación entre el calor y el trabajo con reacciones químicas o con cambios físicos del estado dentro de los confines de las leyes termodinámicas. La termodinámica química involucra no sólo mediciones de varias propiedades termodinámicas en el laboratorio, sino también la aplicación de métodos matemáticos al estudio de preguntas químicas y a las reacciones de los procesos.

La estructura de la química termodinámica está basada en las primeras dos leyes de la termodinámica. Comenzando a partir de la primera y segunda ley de la termodinámica, cuatro expresiones matemáticas llamadas "ecuaciones fundamentales de Gibbs" se pueden obtener. A partir de estas cuatro, gran cantidad de ecuaciones relacionadas con propiedades termodinámicas del sistema termodinámico pueden ser derivadas utilizando matemáticas relativamente sencillas. Esto delinea la infraestructura matemática de la termodinámica química.[17]

Termodinámica del equilibrio

La termodinámica del equilibrio es el estudio de las transferencias de materia y energía en sistemas o cuerpos que, por medio de organismos de su entorno, pueden pasar de un estado de equilibrio termodinámico a otro. El concepto «equilibrio termodinámico» indica un macroestado de equilibrio, en el que todos los flujos macroscópicos son nulos; en el caso de los sistemas o cuerpos más simples, sus propiedades intensivas son homogéneas y sus presiones son perpendiculares a sus límites. En un estado de equilibrio no hay potenciales desequilibrados, o fuerzas impulsoras, entre partes macroscópicas distintas del sistema. Un objetivo central de la termodinámica del equilibrio es: dado un sistema en un estado de equilibrio inicial bien definido, y dado su entorno, y dadas sus paredes constitutivas, calcular cuál será el estado de equilibrio final del sistema después de que una operación termodinámica específica haya cambiado sus paredes o su entorno.

La termodinámica de no equilibrio es una rama de la termodinámica que se ocupa de los sistemas que no están en equilibrio termodinámico. La mayoría de los sistemas que se encuentran en la naturaleza no están en equilibrio termodinámico porque no están en estados estacionarios, y están sujetos de forma continua y discontinua a flujos de materia y energía hacia y desde otros sistemas. El estudio termodinámico de los sistemas que no están en equilibrio requiere conceptos más generales que los tratados por la termodinámica del equilibrio. Muchos sistemas naturales siguen estando hoy en día fuera del alcance de los métodos termodinámicos macroscópicos actualmente conocidos.

Principios

Es importante remarcar que los principios de la termodinámica son válidos siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel microscópico. La idea del demonio de Maxwell ayuda a comprender los límites del segundo principio de termodinámica jugando con las propiedades microscópicas de las partículas que componen un gas.

Principio cero

El principio cero de la termodinámica[18]​ es una ley fenomenológica para sistemas que se encuentran en equilibrio térmico. En palabras simples, el principio dice que si se pone un objeto con cierta temperatura en contacto con otro a una temperatura distinta, ambos intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan. El principio establece que para todo sistema existe una propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

La ley es compatible con el uso de un cuerpo físico particular, por ejemplo la masa de un gas, para que coincida con la temperatura de otros cuerpos, pero no justifica a la temperatura como una cantidad que se puede medir en números reales. Tiene una gran importancia experimental «pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema» pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica. El principio cero permite parametrizar temperaturas, pero no medir temperaturas. Así, por ejemplo, cuando Joule necesitó comparar los resultados de sus experiencias con los de otro investigador en Inglaterra, tuvo que atravesar el océano Atlántico para comprobar, in situ, sus termómetros a fin de realizar una correspondencia.

El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parámetro cinético, asociado a nivel microscópico; el cual a su vez está dentro de la físico química y no es parámetro debido a que a la termodinámica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se las conoce como coordenadas térmicas y dinámicas del sistema.

Como convención, también se puede decir que dos sistemas están en una relación de equilibrio térmico si, no estando vinculados para poder transferir calor entre ellos, permanecerían en el mismo estado si fuesen conectados por una pared permeable solamente al calor. El significado físico es expresado por Maxwell en las palabras: «Todo el calor es del mismo tipo». Otra declaración de la ley es «Todas las paredes diatérmicas son equivalentes». Este principio es importante para la formulación matemática de la termodinámica, que necesita la afirmación de que la relación del equilibrio térmico es una relación de equivalencia. Esta información es necesaria para una definición matemática de temperatura que concuerde con la existencia física de termómetros válidos

Este principio fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibiese el nombre de principio cero. Fue formulado por primera vez para un sistema, pero no lo es tanto para la propia estructura de la teoría termodinámica.

Otra formulación es: 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.

Primer principio

El primer principio de la termodinámica[nota 1]​ es un principio que refleja la conservación de la energía en el contexto de la termodinámica y establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, este principio permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. En palabras simples: la energía total del universo se mantiene constante. No se crea ni se destruye, solo se transforma.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

 

que aplicada a la termodinámica, queda de la forma

 ,

donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema. Esta última expresión es igual de frecuente encontrarla en la forma  . Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia está en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional (véase criterio de signos termodinámico).

Más específicamente el principio se puede formular como:

En un sistema aislado adiabático (que no hay intercambio de calor con otros sistemas o su entorno, como si estuviera aislado) que evoluciona de un estado inicial   a otro estado final  , el trabajo realizado no depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido.

Más formalmente, este principio se descompone en dos partes;

  • El «principio de la accesibilidad adiabática»:
El conjunto de los estados de equilibrio a los que puede acceder un sistema termodinámico cerrado es, adiabáticamente, un conjunto simplemente conexo.
El trabajo de la conexión adiabática entre dos estados de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos estados conectados.

Este enunciado supone formalmente definido el concepto de trabajo termodinámico y conocido que los sistemas termodinámicos solo pueden interactuar de tres formas diferentes (interacción másica, interacción mecánica e interacción térmica). En general, el trabajo es una magnitud física que no es una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso seguido por dicho sistema. Este hecho experimental, por el contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabáticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final. En consecuencia, podrá ser identificado con la variación de una nueva variable de estado de dichos sistemas, definida como energía interna. Se define entonces la energía interna,  , como una variable de estado cuya variación en un proceso adiabático es el trabajo intercambiado por el sistema con su entorno:

 

(W del proceso adiabático)

Cuando el sistema cerrado evoluciona del estado inicial A al estado final B pero por un proceso no adiabático, la variación de la energía debe ser la misma, sin embargo, ahora, el trabajo intercambiado será diferente del trabajo adiabático anterior. La diferencia entre ambos trabajos debe haberse realizado por medio de interacción térmica. Se define entonces la cantidad de energía térmica intercambiada Q (calor) como:

 

o

 

Siendo U la energía interna, Q el calor y W el trabajo. Por convenio, Q es positivo si va del ambiente al sistema, o negativo en caso contrario y W, es positivo si es realizado sobre el sistema y negativo si es realizado por el sistema. Esta definición suele identificarse con la ley de la conservación de la energía y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Es por ello que la ley de la conservación de la energía se utilice, fundamentalmente por simplicidad, como uno de los enunciados del primer principio de termodinámica:

La variación de energía de un sistema termodinámico cerrado es igual a la diferencia entre la cantidad de calor y la cantidad de trabajo intercambiados por el sistema con sus alrededores.

En su forma matemática más sencilla se puede escribir para cualquier sistema cerrado:

 

donde:

  es la variación de energía del sistema,
  es el calor intercambiado por el sistema a través de unas paredes bien definidas, y
  es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores.

Segundo principio

 
Ilustración de la segunda ley mediante una máquina térmica.

Este principio marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, una mancha de tinta dispersada en el agua no puede volver a concentrarse en un pequeño volumen). El sentido de evolución de los procesos reales es único ya que son irreversibles. Este hecho viene caracterizado por el aumento de una magnitud física, S, la entropía del sistema termodinámico, con el llamado principio de aumento de entropía, que es una forma de enunciar el segundo principio de la termodinámica. También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas. De esta forma, el segundo principio impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, 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 que cero.

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.

La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.

Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.

Enunciado de Clausius

 
Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.

En palabras de Sears es: «No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada».

Enunciado de Kelvin-Planck

Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito, con la realización de una cantidad igual de trabajo. Sería correcto decir que «es imposible construir una máquina que, operando cíclicamente, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización equivalente de trabajo». Varía con el primero, dado que en él, se puede deducir que la máquina transforma todo el trabajo en calor, y, que el resto, para otras funciones… Este enunciado afirma la imposibilidad de construir una máquina que convierta todo el calor en trabajo. Siempre es necesario intercambiar calor con un segundo foco (el foco frío), de forma que parte del calor absorbido se expulsa como calor de desecho al ambiente. Ese calor desechado no puede reutilizarse para aumentar el calor (inicial) producido por el sistema (en este caso la máquina), es a lo que llamamos entropía.

Otra interpretación

Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir, que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo, siempre será menor a la unidad, y esta estará más próxima a la unidad, cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.

Tercer principio

El tercer principio de termodinámica,[nota 2]​ más adecuadamente postulado de Nernst, afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas. Sucintamente, puede definirse como:

  • Al llegar al cero absoluto, 0 K, cualquier proceso de un sistema físico se detiene.
  • Al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y acelerado.

Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado de Nernst como «la tercera de las leyes de la termodinámica». Es importante reconocer que no es una noción exigida por la termodinámica clásica por lo que resulta inapropiado tratarlo de «ley», siendo incluso inconsistente con la física estadística clásica y necesitando el establecimiento previo de la estadística cuántica para ser valorado adecuadamente. La mayor parte de la termodinámica no requiere la utilización de este postulado.[19]​ El postulado de Nernst, llamado así por ser propuesto por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto.

El 14 de marzo de 2017, se publicó en la revista Nature la demostración matemática a cargo de los físicos Lluís Masanes y Jonathan Oppenheim, del Departamento de Física y Astronomía del University College de Londres.

Sistema

Se puede definir un sistema como un conjunto de materia, que está limitado por unas paredes, reales o imaginarias, impuestas por el observador. Si en el sistema no entra ni sale materia, se dice que se trata de un sistema cerrado o sistema aislado si no hay intercambio de materia y energía, dependiendo del caso. En la naturaleza, encontrar un sistema estrictamente aislado es, por lo que se sabe, imposible, pero sí pueden hacerse aproximaciones. Un sistema del que sale y/o entra materia recibe el nombre de abierto. Algunos ejemplos:

  • Un sistema abierto se da cuando existe un intercambio de masa y de energía con los alrededores; es por ejemplo, un coche. Le echamos combustible y él desprende diferentes gases y calor.
  • Un sistema cerrado se da cuando no existe un intercambio de masa con el medio circundante, solo se puede dar un intercambio de energía; un reloj de cuerda, no introducimos ni sacamos materia de él. Solo precisa un aporte de energía que emplea para medir el tiempo.
  • Un sistema aislado se da cuando no existe el intercambio ni de masa y energía con los alrededores; ¿Cómo encontrarlo si no es posible interactuar con él? Sin embargo, un termo lleno de comida caliente es una aproximación, ya que el envase no permite el intercambio de materia e intenta impedir que la energía (calor) salga de él. El universo es un sistema aislado, ya que la variación de energía es cero. 

Medio externo

Se llama medio externo o ambiente a todo aquello que no está en el sistema pero que puede influir en él. Por ejemplo, considérese una taza con agua, que está siendo calentada por un mechero: en un sistema formado por la taza y el agua, el medio está formado por el mechero, el aire, etc.

Equilibrio térmico

 
Desarrollo del equilibrio térmico en un sistema cerrado a lo largo del tiempo.
El equilibrio térmico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes valores; una vez que las temperaturas se han equiparado, se suspende la transferencia de calor entre ambos cuerpos, alcanzándose con ello el mencionado equilibrio térmico del sistema termodinámico. Toda sustancia por encima de los 0 kelvin (-273,15 °C) emite calor. Si dos sustancias en contacto se encuentran a diferente temperatura, una de ellas emitirá más calor y calentará a la más fría. El equilibrio térmico se alcanza cuando ambas emiten, y reciben la misma cantidad de calor, lo que iguala su temperatura. Estrictamente sería la misma cantidad de calor por gramo, ya que una mayor cantidad de sustancia emite más calor a la misma temperatura.

Variables termodinámicas

Las variables que tienen relación con el estado interno de un sistema se llaman variables termodinámicas o coordenadas termodinámicas, y entre ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son:

En termodinámica, es muy importante estudiar sus propiedades, las cuales pueden clasificarse en dos tipos:

  • propiedades intensivas: son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño 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 recíprocamente equivalentes a las intensivas. Una propiedad extensiva depende por tanto del «tamaño» del sistema. Una propiedad extensiva tiene la propiedad de ser aditiva en el sentido de que si se divide el sistema en dos o más 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, energía, entropía, entalpía, etc. En general, el cociente entre dos magnitudes extensivas nos da una magnitud intensiva; por ejemplo, la división entre masa y volumen genera la densidad.

Estado de un sistema

Un sistema que puede describirse en función de coordenadas termodinámicas se llama sistema termodinámico y la situación en la que se encuentra definido por dichas coordenadas se llama estado del sistema.

Equilibrio térmico

Un estado en el cual dos coordenadas termodinámicas independientes X e Y permanecen constantes mientras no se modifican las condiciones externas se dice que se encuentra en equilibrio térmico. Si dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico se dice que tienen la misma temperatura. Entonces se puede definir la temperatura como una propiedad que permite determinar si un sistema se encuentra o no en equilibrio térmico con otro sistema.

El equilibrio térmico se presenta cuando dos cuerpos con temperaturas diferentes se ponen en contacto, y el que tiene mayor temperatura cede energía térmica en forma de calor al que tiene más baja, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura.

Algunas definiciones útiles en termodinámica son las siguientes.

Foco térmico

Un foco calórico, foco térmico o foco calorífico es cualquier sistema termodinámico capaz de intercambiar cualquier cantidad de calor sin que cambien sus propiedades, es decir, que si en el estado A posee unas presión, volumen y temperatura (P,V,T) determinadas, tras perder o ganar calor y alcanzar el estado B, mantendrá las mismas presión, volumen y temperatura iniciales.

Los focos calóricos no tienen restricciones a la hora de emitir calor, o sea, pueden transmitir calor de modo perfecto por conducción, convección y radiación.

Esta definición es una idealización ya que, en la práctica, no existen focos caloríficos. Ahora bien, según la escala en la que se trabaje sí que se pueden considerar ciertas cosas como focos caloríficos; por ejemplo, el Sol respecto de una persona en la Tierra puede ser tratado como un foco calórico, porque el calor que recibe la persona del Sol provoca una variación irrelevante en éste.

Contacto térmico

Se dice que dos sistemas están en contacto térmico cuando puede existir transferencia de calor de un sistema a otro.

Procesos termodinámicos

Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son:

Por ejemplo, dentro de un termo donde se colocan agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso adiabático, ya que el agua caliente se empezará a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezará a calentar y posteriormente fundir hasta que ambos estén en equilibrio térmico, sin embargo no hubo transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de un proceso adiabático.

Rendimiento termodinámico o eficiencia

Un concepto importante en la ingeniería térmica es el de rendimiento. El rendimiento de una máquina térmica se define como:

 

donde, dependiendo del tipo de máquina térmica, estas energías serán el calor o el trabajo que se transfieran en determinados subsistemas de la máquina.

Teorema de Carnot

Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824 demostró que el rendimiento de alguna máquina térmica que tuviese la máxima eficiencia posible (a las que en la actualidad se denotan con su nombre) y que operase entre dos termostatos (focos con temperatura constante), dependería solo de las temperaturas de dichos focos. Por ejemplo, el rendimiento para un motor térmico de Carnot viene dado por:

 

donde   y   son las temperaturas del termostato caliente y del termostato frío, respectivamente, medidas en Kelvin.

Este rendimiento máximo es el correspondiente al de una máquina térmica reversible, la cual es solo una idealización, por lo que cualquier máquina térmica construida tendrá un rendimiento menor que el de una máquina reversible operando entre los mismos focos, de manera que:

 

Instrumentación

Existen dos tipos de instrumentos termodinámicos, el medidor y el depósito. Un medidor termodinámico es cualquier dispositivo que mide cualquier parámetro de un sistema termodinámico. En algunos casos, el parámetro termodinámico se define realmente en términos de un instrumento de medida idealizado. Por ejemplo, el principio cero establece que si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, también están en equilibrio térmico entre ellos. Este principio, tal y como señaló James Maxwell en 1872, afirma que es posible medir la temperatura. Un termómetro idealizado es una muestra de un gas ideal a presión constante. A partir de la ley de los gases ideales pV=nRT, el volumen de dicha muestra puede utilizarse como indicador de la temperatura; de esta manera define la temperatura. Aunque la presión se define mecánicamente, también se puede construir un aparato para medir la presión, llamado barómetro, a partir de una muestra de un gas ideal mantenida a temperatura constante. Un calorímetro es un dispositivo que se utiliza para medir y definir la energía interna de un sistema.

Un depósito termodinámico es un sistema que es tan grande que sus parámetros de estado no se alteran de forma apreciable cuando se pone en contacto con el sistema de interés. Cuando el depósito se pone en contacto con el sistema, el sistema entra en equilibrio con el depósito. Por ejemplo, un depósito de presión es un sistema a una presión determinada, que impone esa presión al sistema al que está conectado mecánicamente. La atmósfera terrestre suele utilizarse como depósito de presión. El océano puede actuar como depósito de temperatura cuando se utiliza para refrigerar centrales eléctricas.

Variables conjugadas

El concepto central de la termodinámica es el de energía, la capacidad de hacer trabajo. Por el Primer Principio, la energía total de un sistema y su entorno se conserva. La energía puede ser transferida a un sistema por calentamiento, compresión o adición de materia, y extraída de un sistema por enfriamiento, expansión o extracción de materia. En mecánica, por ejemplo, la transferencia de energía es igual al producto de la fuerza aplicada a un cuerpo y el desplazamiento resultante.

Las variables conjugadas son pares de conceptos termodinámicos, siendo la primera similar a una «fuerza» aplicada a algún sistema termodinámico, la segunda similar al «desplazamiento» resultante, y el producto de las dos igual a la cantidad de energía transferida. Las variables conjugadas comunes son:

Campos de aplicación

Diagramas termodinámicos

Véase también

Notas

  1. También se le llama frecuentemente «primera ley de la termodinámica», sin embargo en español (como en francés), a diferencia del inglés —por ejemplo, First law of thermodynamics—, se usa la palabra «principio» para designar leyes naturales que no pueden demostrarse explícitamente, sin embargo se pueden medir y cuantificar observando los resultados que producen.
  2. En español (como en francés), a diferencia del inglés —por ejemplo, Third law of thermodynamics—, se usa la palabra «principio» para designar leyes naturales que no pueden demostrarse explícitamente, sin embargo se pueden medir y cuantificar observando los resultados que producen.

Referencias

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  7. Reif, F., Fundamentals of Statistical and Thermal Physics, McGraww-Hill, New York, 1985, pag. 3
  8. Cfr.Callen, H., 1985; Reif, F., 1985
  9. Reif, F., Fundamentals of Statistical and Thermal Physics, McGraw-Hill, New York, 1985
  10. La entropía se define en termodinámica moderna para sistemas que se encuentran en equilibrio termodinámico y fuera de él no tiene sentido.
  11. Cfr. Callen, H., 1985
  12. Cfr. Reif, F, 1985
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  18. En español (como en francés), a diferencia del inglés —por ejemplo, Zeroth law of thermodynamics—, se usa la palabra «principio» para designar leyes naturales que no pueden demostrarse explícitamente, sin embargo se pueden medir y cuantificar observando los resultados que producen.
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Los siguientes títulos son más técnicos:

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  • Cengel, Yunus A., & Boles, Michael A. (2002). Thermodynamics – an Engineering Approach. McGraw Hill. ISBN 978-0-07-238332-4. OCLC 45791449. (requiere registro). 
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Enlaces externos

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termodinámica, termodinámica, rama, física, describe, estados, equilibrio, termodinámico, nivel, macroscópico, diccionario, lengua, española, real, academia, española, parte, define, termodinámica, como, rama, física, encargada, estudio, interacción, entre, ca. La termodinamica es la rama de la fisica que describe los estados de equilibrio termodinamico a nivel macroscopico El Diccionario de la lengua espanola de la Real Academia Espanola por su parte define la termodinamica como la rama de la fisica encargada del estudio de la interaccion entre el calor y otras manifestaciones de la energia 1 Constituye una teoria fenomenologica a partir de razonamientos deductivos que estudia sistemas reales sin modelizar y sigue un metodo experimental 2 Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la Energia interna la entropia el volumen o la composicion molar del sistema 3 o por medio de magnitudes no extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura presion y el potencial quimico otras magnitudes tales como la imanacion la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecanica de los medios continuos en general tambien se pueden tratar por medio de la termodinamica 4 Transferencia de calor por conveccion Maquina termica tipica donde se puede observar la entrada desde una fuente de calor caldera a la izquierda y la salida a un disipador de calor condensador a la derecha El trabajo se extrae en este caso mediante una serie de pistones Version en color anotada de la maquina de calor Carnot original de 1824 que muestra el cuerpo caliente caldera el cuerpo de trabajo sistema vapor y el cuerpo frio agua las letras etiquetadas de acuerdo con los puntos de parada en el ciclo de Carnot La termodinamica trata los procesos de transferencia de calor que es una de las formas de energia y como se puede realizar un trabajo con ella En esta area se describe como la materia en cualquiera de sus fases solido liquido gaseoso va transformandose Desde un punto de vista macroscopico de la materia se estudia como esta reacciona a cambios en su volumen presion y temperatura entre otras magnitudes La termodinamica se basa en cuatro principios de la termodinamica los cuales son el equilibrio termodinamico o principio cero el principio de conservacion de la energia primer principio el aumento temporal de la entropia segundo principio y la imposibilidad del cero absoluto tercer principio 5 Una consecuencia de la termodinamica es lo que hoy se conoce como fisica estadistica Esta rama estudia al igual que la termodinamica los procesos de transferencia de calor pero al contrario a la anterior desde un punto de vista molecular La materia como se conoce esta compuesta por moleculas y el conocer el comportamiento de una sola de sus moleculas nos lleva a medidas erroneas Por eso se debe tratar como un conjunto de elementos caoticos o aleatorios y se utiliza el lenguaje estadistico y consideraciones mecanicas para describir comportamientos macroscopicos de este conjunto molecular microscopico 6 La termodinamica ofrece un aparato formal aplicable unicamente a estados de equilibrio 7 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 intrinsecos y no por influencias externas previamente aplicadas 3 Tales estados terminales de equilibrio son por definicion independientes del tiempo y todo el aparato formal de la termodinamica todas las leyes y variables termodinamicas se definen de tal modo que se podria decir que un sistema esta en equilibrio si sus propiedades se pueden describir consistentemente empleando la teoria termodinamica 3 Los estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las restricciones a las que este sometido Por medio de los cambios producidos en estas restricciones esto es al retirar limitaciones tales como impedir la expansion del volumen del sistema impedir el flujo de calor etc el sistema tendera a evolucionar de un estado de equilibrio a otro 8 comparando ambos estados de equilibrio la termodinamica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energia termica entre sistemas termicos diferentes Como ciencia fenomenologica la termodinamica no se ocupa de ofrecer una interpretacion fisica de sus magnitudes La primera de ellas la energia interna se acepta como una manifestacion macroscopica de las leyes de conservacion de la energia a nivel microscopico que permite caracterizar el estado energetico del sistema macroscopico macroestado 9 El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinamicas son los que postulan que la energia se puede intercambiar entre sistemas en forma de calor o trabajo y que solo se puede hacer de una determinada manera Tambien se introduce una magnitud llamada entropia 10 que se define como aquella funcion extensiva de la energia interna el volumen y la composicion molar que toma valores maximos en equilibrio el principio de maximizacion de la entropia define el sentido en el que el sistema evoluciona de un estado de equilibrio a otro 11 Es la fisica estadistica intimamente relacionada con la termodinamica la que ofrece una interpretacion fisica de ambas magnitudes la energia interna se identifica con la suma de las energias individuales de los atomos y moleculas del sistema y la entropia mide el grado de orden y el estado dinamico de los sistemas y tiene una conexion muy fuerte con la teoria de informacion 12 En la termodinamica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinamico y su contorno Un sistema termodinamico se caracteriza por sus propiedades relacionadas entre si mediante las ecuaciones de estado Estas se pueden combinar para expresar la energia interna y los potenciales termodinamicos utiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontaneos Con estas herramientas la termodinamica describe como los sistemas reaccionan a los cambios en su entorno Esto se puede aplicar a una amplia variedad de ramas de la ciencia y de la ingenieria tales como motores cambios de fase reacciones quimicas fenomenos de transporte e incluso agujeros negros Indice 1 Historia 2 Etimologia 3 Ramas de la termodinamica 3 1 Termodinamica clasica 3 2 Fisica estadistica 3 3 Termodinamica quimica 3 4 Termodinamica del equilibrio 4 Principios 4 1 Principio cero 4 2 Primer principio 4 3 Segundo principio 4 3 1 Enunciado de Clausius 4 3 2 Enunciado de Kelvin Planck 4 3 3 Otra interpretacion 4 4 Tercer principio 4 5 Sistema 4 6 Medio externo 5 Equilibrio termico 5 1 Variables termodinamicas 5 2 Estado de un sistema 5 3 Equilibrio termico 5 4 Foco termico 5 5 Contacto termico 6 Procesos termodinamicos 7 Rendimiento termodinamico o eficiencia 7 1 Teorema de Carnot 8 Instrumentacion 9 Variables conjugadas 10 Campos de aplicacion 11 Diagramas termodinamicos 12 Vease tambien 13 Notas 14 Referencias 15 Bibliografia 16 Enlaces externosHistoria EditarEsta seccion es un extracto de Historia de la termodinamica editar El 1698 Savery Motor primera maquina de vapor comercialmente util del mundo Construido por Thomas Savery La historia de la termodinamica es una pieza fundamental en la historia de la fisica la historia de la quimica y la historia de la ciencia en general Debido a la relevancia de la termodinamica en muchas areas de la ciencia y la tecnologia su historia esta finamente tejida con los desarrollos de la mecanica clasica mecanica cuantica magnetismo y la cinetica quimica para aplicar a campos mas distante tales como la meteorologia teoria de informacion y biologia fisiologia y a desarrollos tecnologicos como la maquina de vapor motor de combustion interna criogenia y generacion de electricidad El desarrollo de la termodinamica fue motivado y dirigido por la teoria atomica Tambien aunque de una manera sutil motivo nuevas direcciones en probabilidad y estadistica vea por ejemplo la linea de tiempo de la termodinamica La historia de la termodinamica como disciplina cientifica se considera generalmente que comienza con Otto von Guericke quien en 1650 construyo y diseno la primera bomba de vacio y demostro las propiedades del vacio usando sus hemisferios de Magdeburgo Guericke fue impulsado a hacer el vacio con el fin de refutar la suposicion de Aristoteles que la naturaleza aborrece el vacio Poco despues de Guericke el fisico y quimico Robert Boyle estudio y mejoro los disenos de Guericke y en 1656 en coordinacion con el cientifico Robert Hooke construyo una bomba de aire Con esta bomba Boyle y Hooke observaron una correlacion entre la presion temperatura y volumen Con el tiempo se formularon la ley de Boyle indicando que para un gas a temperatura constante la presion y el volumen son inversamente proporcionales y otras leyes de los gases En 1679 un asociado de Boyle Denis Papin basandose en estos conceptos construyo un digestor de vapor que era un recipiente cerrado con una tapa de cierre hermetico en el que el vapor confinado alcanzaba una alta presion aumentando el punto de ebullicion y acortando el tiempo de coccion de los alimentos En 1697 el ingeniero Thomas Savery a partir de los disenos de Papin construyo el primer motor termico seguido por Thomas Newcomen en 1712 Aunque estos primeros motores eran toscos y poco eficientes atrajeron la atencion de los cientificos mas destacados de la epoca En 1733 Bernoulli uso metodos estadisticos junto con la mecanica clasica para extraer resultados de la hidrodinamica iniciando la fisica estadistica En 1781 los conceptos de capacidad calorifica y calor latente fueron desarrollados por el profesor Joseph Black de la Universidad de Glasgow donde James Watt trabajo como fabricante de instrumentos Watt consulto con Black en las pruebas de la maquina de vapor pero fue Watt quien concibio la idea del condensador externo aumentando grandemente la eficiencia de la maquina de vapor En 1783 Antoine Lavoisier propone la teoria calorica En 1798 Benjamin Thompson conde de Rumford demostro la conversion del trabajo mecanico en calor Nicolas Leonard Sadi Carnot considerado como el padre de la termodinamica Sobre la base de todo este trabajo previo Sadi Carnot el padre de la termodinamica publico en 1824 Reflexiones sobre la energia motriz del fuego un discurso sobre la eficiencia termica la energia la energia motriz y el motor El documento describe las relaciones basicas energeticas entre la maquina de Carnot el ciclo de Carnot y energia motriz marcando el inicio de la termodinamica como ciencia moderna El primer libro de texto sobre termodinamica fue escrito en 1859 por William Rankine quien originalmente se formo como fisico y profesor de ingenieria civil y mecanica en la Universidad de Glasgow El primer y segundo principios de termodinamica surgieron simultaneamente en la decada de 1850 principalmente por las obras de Germain Henri Hess William Rankine Rudolf Clausius James Prescott Joule y William Thomson Lord Kelvin Los fundamentos de la termodinamica estadistica se establecieron por los fisicos como James Clerk Maxwell Ludwig Boltzmann Max Planck Rudolf Clausius Johannes van der Waals y Josiah Willard Gibbs Desde 1873 hasta el 76 el fisico matematico estadounidense Josiah Willard Gibbs publico una serie de tres articulos siendo la mas famosa Sobre el equilibrio de las sustancias heterogeneas Gibbs demostro como los procesos termodinamicos incluyendo reacciones quimicas se podrian analizar graficamente Mediante el estudio de la energia la entropia potencial quimico la temperatura y la presion del sistema termodinamico se puede determinar si un proceso se produce espontaneamente La termodinamica quimica y la fisicoquimica fueron desarrolladas ademas por Walther Nernst Pierre Duhem Gilbert N Lewis Jacobus Henricus van t Hoff y Theophile de Donder entre otros aplicando los metodos matematicos de Gibbs Tambien fueron de importancia para la termodinamica los desarrollos en termometria y manometria Etimologia EditarLa etimologia de termodinamica tiene una historia intrincada 13 Se escribio por primera vez con un guion como adjetivo termodinamica y desde 1854 hasta 1868 como el sustantivo termodinamica para representar la ciencia de los motores termicos generalizados 13 El biofisico estadounidense Donald Haynie afirma que termodinamica fue acunada en 1840 a partir de la raiz griega 8ermh therme que significa calor y dynamis dynamis que significa poder 14 Pierre Perrot afirma que el termino termodinamica fue acunado por James Joule en 1858 para designar la ciencia de las relaciones entre el calor y la energia 15 sin embargo Joule nunca utilizo ese termino sino que utilizo en su lugar el termino motor termodinamico perfecto en referencia a la fraseologia de Thomson de 1849 16 Para 1858 termodinamica como termino funcional se utilizo en el articulo de William Thomson Un relato de la teoria de Carnot sobre la potencia motriz del calor 16 Ramas de la termodinamica EditarEl estudio de los sistemas termodinamicos se ha desarrollado en varias ramas relacionadas cada una de las cuales utiliza un modelo fundamental diferente como base teorica o experimental o aplica los principios a distintos tipos de sistemas Termodinamica clasica Editar La termodinamica clasica es la descripcion de los estados de los sistemas termodinamicos en situacion de casi equilibrio que utiliza propiedades macroscopicas y medibles Se utiliza para modelar los intercambios de energia trabajo y calor basandose en los principios de termodinamica El calificativo clasico refleja el hecho de que representa el primer nivel de comprension del tema tal y como se desarrollo en el siglo XIX y describe los cambios de un sistema en terminos de parametros empiricos macroscopicos a gran escala y medibles Una interpretacion microscopica de estos conceptos fue proporcionada posteriormente por el desarrollo de la fisica estadistica Fisica estadistica Editar La fisica estadistica tambien conocida como termodinamica estadistica surgio con el desarrollo de las teorias atomicas y moleculares a finales del siglo XIX y principios del XX y complemento la termodinamica clasica con una interpretacion de las interacciones microscopicas entre particulas individuales o estados mecanicos cuanticos Este campo relaciona las propiedades microscopicas de los atomos y las moleculas individuales con las propiedades macroscopicas de los materiales que pueden observarse a escala humana explicando asi la termodinamica clasica como un resultado natural de la estadistica la mecanica clasica y la teoria cuantica a nivel microscopico Termodinamica quimica Editar Esta seccion es un extracto de Termodinamica quimica editar Ingenieria quimica GeneralidadesEsquema Historia IndiceFundamentosIndustria Ingeniero Proceso Operacion unitaria Cinetica Fenomenos de transporteAspectosTransferencia de calor Transferencia de masa Dinamica de fluidos Diseno de procesos Control de procesos Termodinamica quimica Ingenieria de reaccion Modelado de procesos quimicosProcesos UnitariosPlanta quimica Reactor quimico Diagrama de flujo de proceso Proceso de separacionGlosariosGlosario de quimica Glosario de ingenieriaTermodinamica quimica es el estudio de la interrelacion entre el calor y el trabajo con reacciones quimicas o con cambios fisicos del estado dentro de los confines de las leyes termodinamicas La termodinamica quimica involucra no solo mediciones de varias propiedades termodinamicas en el laboratorio sino tambien la aplicacion de metodos matematicos al estudio de preguntas quimicas y a las reacciones de los procesos La estructura de la quimica termodinamica esta basada en las primeras dos leyes de la termodinamica Comenzando a partir de la primera y segunda ley de la termodinamica cuatro expresiones matematicas llamadas ecuaciones fundamentales de Gibbs se pueden obtener A partir de estas cuatro gran cantidad de ecuaciones relacionadas con propiedades termodinamicas del sistema termodinamico pueden ser derivadas utilizando matematicas relativamente sencillas Esto delinea la infraestructura matematica de la termodinamica quimica 17 Termodinamica del equilibrio Editar La termodinamica del equilibrio es el estudio de las transferencias de materia y energia en sistemas o cuerpos que por medio de organismos de su entorno pueden pasar de un estado de equilibrio termodinamico a otro El concepto equilibrio termodinamico indica un macroestado de equilibrio en el que todos los flujos macroscopicos son nulos en el caso de los sistemas o cuerpos mas simples sus propiedades intensivas son homogeneas y sus presiones son perpendiculares a sus limites En un estado de equilibrio no hay potenciales desequilibrados o fuerzas impulsoras entre partes macroscopicas distintas del sistema Un objetivo central de la termodinamica del equilibrio es dado un sistema en un estado de equilibrio inicial bien definido y dado su entorno y dadas sus paredes constitutivas calcular cual sera el estado de equilibrio final del sistema despues de que una operacion termodinamica especifica haya cambiado sus paredes o su entorno La termodinamica de no equilibrio es una rama de la termodinamica que se ocupa de los sistemas que no estan en equilibrio termodinamico La mayoria de los sistemas que se encuentran en la naturaleza no estan en equilibrio termodinamico porque no estan en estados estacionarios y estan sujetos de forma continua y discontinua a flujos de materia y energia hacia y desde otros sistemas El estudio termodinamico de los sistemas que no estan en equilibrio requiere conceptos mas generales que los tratados por la termodinamica del equilibrio Muchos sistemas naturales siguen estando hoy en dia fuera del alcance de los metodos termodinamicos macroscopicos actualmente conocidos Principios EditarEs importante remarcar que los principios de la termodinamica son validos siempre para los sistemas macroscopicos pero inaplicables a nivel microscopico La idea del demonio de Maxwell ayuda a comprender los limites del segundo principio de termodinamica jugando con las propiedades microscopicas de las particulas que componen un gas Principio cero Editar Esta seccion es un extracto de Principio cero de la termodinamica editar El principio cero de la termodinamica 18 es una ley fenomenologica para sistemas que se encuentran en equilibrio termico En palabras simples el principio dice que si se pone un objeto con cierta temperatura en contacto con otro a una temperatura distinta ambos intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan El principio establece que para todo sistema existe una propiedad denominada temperatura empirica 8 que es comun para todos los estados de equilibrio termodinamico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado La ley es compatible con el uso de un cuerpo fisico particular por ejemplo la masa de un gas para que coincida con la temperatura de otros cuerpos pero no justifica a la temperatura como una cantidad que se puede medir en numeros reales Tiene una gran importancia experimental pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema pero no resulta tan importante en el marco teorico de la termodinamica El principio cero permite parametrizar temperaturas pero no medir temperaturas Asi por ejemplo cuando Joule necesito comparar los resultados de sus experiencias con los de otro investigador en Inglaterra tuvo que atravesar el oceano Atlantico para comprobar in situ sus termometros a fin de realizar una correspondencia El equilibrio termodinamico de un sistema se define como la condicion del mismo en el cual las variables empiricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema presion volumen campo electrico polarizacion magnetizacion tension lineal tension superficial coordenadas en el plano x y no son dependientes del tiempo El tiempo es un parametro cinetico asociado a nivel microscopico el cual a su vez esta dentro de la fisico quimica y no es parametro debido a que a la termodinamica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final A dichas variables empiricas experimentales de un sistema se las conoce como coordenadas termicas y dinamicas del sistema Como convencion tambien se puede decir que dos sistemas estan en una relacion de equilibrio termico si no estando vinculados para poder transferir calor entre ellos permanecerian en el mismo estado si fuesen conectados por una pared permeable solamente al calor El significado fisico es expresado por Maxwell en las palabras Todo el calor es del mismo tipo Otra declaracion de la ley es Todas las paredes diatermicas son equivalentes Este principio es importante para la formulacion matematica de la termodinamica que necesita la afirmacion de que la relacion del equilibrio termico es una relacion de equivalencia Esta informacion es necesaria para una definicion matematica de temperatura que concuerde con la existencia fisica de termometros validosEste principio fundamental aun siendo ampliamente aceptado no fue formulado formalmente hasta despues de haberse enunciado las otras tres leyes De ahi que recibiese el nombre de principio cero Fue formulado por primera vez para un sistema pero no lo es tanto para la propia estructura de la teoria termodinamica Otra formulacion es si dos sistemas estan por separado en equilibrio con un tercero entonces tambien deben estar en equilibrio entre ellos Si tres o mas sistemas estan en contacto termico y todos juntos en equilibrio entonces cualquier par esta en equilibrio por separado Primer principio Editar Esta seccion es un extracto de Primer principio de la termodinamica editar El primer principio de la termodinamica nota 1 es un principio que refleja la conservacion de la energia en el contexto de la termodinamica y establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro la energia interna del sistema cambiara Visto de otra forma este principio permite definir el calor como la energia necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energia interna En palabras simples la energia total del universo se mantiene constante No se crea ni se destruye solo se transforma La ecuacion general de la conservacion de la energia es la siguiente E entra E sale D E sistema displaystyle E text entra E text sale Delta E text sistema que aplicada a la termodinamica queda de la forma D U Q W displaystyle Delta U Q W donde U es la energia interna del sistema aislado Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema Esta ultima expresion es igual de frecuente encontrarla en la forma D U Q W displaystyle Delta U Q W Ambas expresiones aparentemente contradictorias son correctas y su diferencia esta en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional vease criterio de signos termodinamico Mas especificamente el principio se puede formular como En un sistema aislado adiabatico que no hay intercambio de calor con otros sistemas o su entorno como si estuviera aislado que evoluciona de un estado inicial A displaystyle mathcal A a otro estado final B displaystyle mathcal B el trabajo realizado no depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido Mas formalmente este principio se descompone en dos partes El principio de la accesibilidad adiabatica El conjunto de los estados de equilibrio a los que puede acceder un sistema termodinamico cerrado es adiabaticamente un conjunto simplemente conexo El principio de conservacion de la energia El trabajo de la conexion adiabatica entre dos estados de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos estados conectados Este enunciado supone formalmente definido el concepto de trabajo termodinamico y conocido que los sistemas termodinamicos solo pueden interactuar de tres formas diferentes interaccion masica interaccion mecanica e interaccion termica En general el trabajo es una magnitud fisica que no es una variable de estado del sistema dado que depende del proceso seguido por dicho sistema Este hecho experimental por el contrario muestra que para los sistemas cerrados adiabaticos el trabajo no va a depender del proceso sino tan solo de los estados inicial y final En consecuencia podra ser identificado con la variacion de una nueva variable de estado de dichos sistemas definida como energia interna Se define entonces la energia interna U displaystyle U como una variable de estado cuya variacion en un proceso adiabatico es el trabajo intercambiado por el sistema con su entorno D U W displaystyle Delta U W W del proceso adiabatico Cuando el sistema cerrado evoluciona del estado inicial A al estado final B pero por un proceso no adiabatico la variacion de la energia debe ser la misma sin embargo ahora el trabajo intercambiado sera diferente del trabajo adiabatico anterior La diferencia entre ambos trabajos debe haberse realizado por medio de interaccion termica Se define entonces la cantidad de energia termica intercambiada Q calor como Q D U W displaystyle Q Delta U W o Q D U W displaystyle Q Delta U W Siendo U la energia interna Q el calor y W el trabajo Por convenio Q es positivo si va del ambiente al sistema o negativo en caso contrario y W es positivo si es realizado sobre el sistema y negativo si es realizado por el sistema Esta definicion suele identificarse con la ley de la conservacion de la energia y a su vez identifica el calor como una transferencia de energia Es por ello que la ley de la conservacion de la energia se utilice fundamentalmente por simplicidad como uno de los enunciados del primer principio de termodinamica La variacion de energia de un sistema termodinamico cerrado es igual a la diferencia entre la cantidad de calor y la cantidad de trabajo intercambiados por el sistema con sus alrededores En su forma matematica mas sencilla se puede escribir para cualquier sistema cerrado D U Q W displaystyle Delta U Q W donde D U displaystyle Delta U es la variacion de energia del sistema Q displaystyle Q es el calor intercambiado por el sistema a traves de unas paredes bien definidas y W displaystyle W es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores Segundo principio Editar Ilustracion de la segunda ley mediante una maquina termica Articulo principal Segundo principio de la termodinamica Este principio marca la direccion en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinamicos y por lo tanto la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario por ejemplo una mancha de tinta dispersada en el agua no puede volver a concentrarse en un pequeno volumen El sentido de evolucion de los procesos reales es unico ya que son irreversibles Este hecho viene caracterizado por el aumento de una magnitud fisica S la entropia del sistema termodinamico con el llamado principio de aumento de entropia que es una forma de enunciar el segundo principio de la termodinamica Tambien establece en algunos casos la imposibilidad de convertir completamente toda la energia de un tipo a otro sin perdidas De esta forma el segundo principio impone restricciones para las transferencias de energia que hipoteticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo el primer principio Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud fisica llamada entropia de tal manera que para un sistema aislado que no intercambia materia ni energia con su entorno la variacion de la entropia siempre debe ser mayor que cero Debido a esta ley tambien se tiene que el flujo espontaneo de calor siempre es unidireccional desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura hasta lograr un equilibrio termico La aplicacion mas conocida es la de las maquinas termicas que obtienen trabajo mecanico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frio La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecanico obtenido Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio destacandose el de Clausius y el de Kelvin Enunciado de Clausius Editar Diagrama del ciclo de Carnot en funcion de la presion y el volumen En palabras de Sears es No es posible ningun proceso cuyo unico resultado sea la extraccion de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorcion de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura mas elevada Enunciado de Kelvin Planck Editar Es imposible construir una maquina termica que operando en un ciclo no produzca otro efecto que la absorcion de energia desde un deposito con la realizacion de una cantidad igual de trabajo Seria correcto decir que es imposible construir una maquina que operando ciclicamente produzca como unico efecto la extraccion de calor de un foco y la realizacion equivalente de trabajo Varia con el primero dado que en el se puede deducir que la maquina transforma todo el trabajo en calor y que el resto para otras funciones Este enunciado afirma la imposibilidad de construir una maquina que convierta todo el calor en trabajo Siempre es necesario intercambiar calor con un segundo foco el foco frio de forma que parte del calor absorbido se expulsa como calor de desecho al ambiente Ese calor desechado no puede reutilizarse para aumentar el calor inicial producido por el sistema en este caso la maquina es a lo que llamamos entropia Otra interpretacion Editar Es imposible construir una maquina termica ciclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energia termodinamica del ambiente Debido a esto podemos concluir que el rendimiento energetico de una maquina termica ciclica que convierte calor en trabajo siempre sera menor a la unidad y esta estara mas proxima a la unidad cuanto mayor sea el rendimiento energetico de la misma Es decir cuanto mayor sea el rendimiento energetico de una maquina termica menor sera el impacto en el ambiente y viceversa Tercer principio Editar Esta seccion es un extracto de Tercer principio de la termodinamica editar El tercer principio de termodinamica nota 2 mas adecuadamente postulado de Nernst afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un numero finito de etapas Sucintamente puede definirse como Al llegar al cero absoluto 0 K cualquier proceso de un sistema fisico se detiene Al llegar al cero absoluto la entropia alcanza un valor minimo y acelerado Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado de Nernst como la tercera de las leyes de la termodinamica Es importante reconocer que no es una nocion exigida por la termodinamica clasica por lo que resulta inapropiado tratarlo de ley siendo incluso inconsistente con la fisica estadistica clasica y necesitando el establecimiento previo de la estadistica cuantica para ser valorado adecuadamente La mayor parte de la termodinamica no requiere la utilizacion de este postulado 19 El postulado de Nernst llamado asi por ser propuesto por Walther Nernst afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un numero finito de procesos fisicos Puede formularse tambien como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto su entropia tiende a un valor constante especifico La entropia de los solidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto El 14 de marzo de 2017 se publico en la revista Nature la demostracion matematica a cargo de los fisicos Lluis Masanes y Jonathan Oppenheim del Departamento de Fisica y Astronomia del University College de Londres Sistema Editar Articulo principal Sistema termodinamico Se puede definir un sistema como un conjunto de materia que esta limitado por unas paredes reales o imaginarias impuestas por el observador Si en el sistema no entra ni sale materia se dice que se trata de un sistema cerrado o sistema aislado si no hay intercambio de materia y energia dependiendo del caso En la naturaleza encontrar un sistema estrictamente aislado es por lo que se sabe imposible pero si pueden hacerse aproximaciones Un sistema del que sale y o entra materia recibe el nombre de abierto Algunos ejemplos Un sistema abierto se da cuando existe un intercambio de masa y de energia con los alrededores es por ejemplo un coche Le echamos combustible y el desprende diferentes gases y calor Un sistema cerrado se da cuando no existe un intercambio de masa con el medio circundante solo se puede dar un intercambio de energia un reloj de cuerda no introducimos ni sacamos materia de el Solo precisa un aporte de energia que emplea para medir el tiempo Un sistema aislado se da cuando no existe el intercambio ni de masa y energia con los alrededores Como encontrarlo si no es posible interactuar con el Sin embargo un termo lleno de comida caliente es una aproximacion ya que el envase no permite el intercambio de materia e intenta impedir que la energia calor salga de el El universo es un sistema aislado ya que la variacion de energia es cero D E 0 displaystyle Delta E 0 Medio externo Editar Se llama medio externo o ambiente a todo aquello que no esta en el sistema pero que puede influir en el Por ejemplo considerese una taza con agua que esta siendo calentada por un mechero en un sistema formado por la taza y el agua el medio esta formado por el mechero el aire etc Equilibrio termico EditarEsta seccion es un extracto de Equilibrio termico editar Desarrollo del equilibrio termico en un sistema cerrado a lo largo del tiempo El equilibrio termico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos las cuales en sus condiciones iniciales presentaban diferentes valores una vez que las temperaturas se han equiparado se suspende la transferencia de calor entre ambos cuerpos alcanzandose con ello el mencionado equilibrio termico del sistema termodinamico Toda sustancia por encima de los 0 kelvin 273 15 C emite calor Si dos sustancias en contacto se encuentran a diferente temperatura una de ellas emitira mas calor y calentara a la mas fria El equilibrio termico se alcanza cuando ambas emiten y reciben la misma cantidad de calor lo que iguala su temperatura Estrictamente seria la misma cantidad de calor por gramo ya que una mayor cantidad de sustancia emite mas calor a la misma temperatura Variables termodinamicas Editar Las variables que tienen relacion con el estado interno de un sistema se llaman variables termodinamicas o coordenadas termodinamicas y entre ellas las mas importantes en el estudio de la termodinamica son la masa el volumen la densidad la presion la temperaturaEn termodinamica es muy importante estudiar sus propiedades las cuales pueden clasificarse en dos tipos propiedades intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamano 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 reciprocamente equivalentes a las intensivas Una propiedad extensiva depende por tanto del tamano del sistema Una propiedad extensiva tiene la propiedad de ser aditiva en el sentido de que si se divide el sistema en dos o mas 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 energia entropia entalpia etc En general el cociente entre dos magnitudes extensivas nos da una magnitud intensiva por ejemplo la division entre masa y volumen genera la densidad Estado de un sistema Editar Un sistema que puede describirse en funcion de coordenadas termodinamicas se llama sistema termodinamico y la situacion en la que se encuentra definido por dichas coordenadas se llama estado del sistema Equilibrio termico Editar Un estado en el cual dos coordenadas termodinamicas independientes X e Y permanecen constantes mientras no se modifican las condiciones externas se dice que se encuentra en equilibrio termico Si dos sistemas se encuentran en equilibrio termico se dice que tienen la misma temperatura Entonces se puede definir la temperatura como una propiedad que permite determinar si un sistema se encuentra o no en equilibrio termico con otro sistema El equilibrio termico se presenta cuando dos cuerpos con temperaturas diferentes se ponen en contacto y el que tiene mayor temperatura cede energia termica en forma de calor al que tiene mas baja hasta que ambos alcanzan la misma temperatura Algunas definiciones utiles en termodinamica son las siguientes Foco termico Editar Esta seccion es un extracto de Foco calorico editar Un foco calorico foco termico o foco calorifico es cualquier sistema termodinamico capaz de intercambiar cualquier cantidad de calor sin que cambien sus propiedades es decir que si en el estado A posee unas presion volumen y temperatura P V T determinadas tras perder o ganar calor y alcanzar el estado B mantendra las mismas presion volumen y temperatura iniciales Los focos caloricos no tienen restricciones a la hora de emitir calor o sea pueden transmitir calor de modo perfecto por conduccion conveccion y radiacion Esta definicion es una idealizacion ya que en la practica no existen focos calorificos Ahora bien segun la escala en la que se trabaje si que se pueden considerar ciertas cosas como focos calorificos por ejemplo el Sol respecto de una persona en la Tierra puede ser tratado como un foco calorico porque el calor que recibe la persona del Sol provoca una variacion irrelevante en este Contacto termico Editar Se dice que dos sistemas estan en contacto termico cuando puede existir transferencia de calor de un sistema a otro Procesos termodinamicos EditarArticulo principal Proceso termodinamico Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinamico o transformacion termodinamica cuando al menos una de las coordenadas termodinamicas no cambia Los procesos mas importantes son Procesos isotermicos son procesos en los que la temperatura no cambia Procesos isobaricos son procesos en los cuales la presion no varia Procesos isocoricos son procesos en los que el volumen permanece constante Procesos adiabaticos son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna Procesos diatermicos son procesos que dejan pasar el calor facilmente Procesos isoentropicos procesos adiabaticos y reversibles Procesos en los que la entropia no varia Por ejemplo dentro de un termo donde se colocan agua caliente y cubos de hielo ocurre un proceso adiabatico ya que el agua caliente se empezara a enfriar debido al hielo y al mismo tiempo el hielo se empezara a calentar y posteriormente fundir hasta que ambos esten en equilibrio termico sin embargo no hubo transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de un proceso adiabatico Rendimiento termodinamico o eficiencia EditarArticulo principal Rendimiento termico Un concepto importante en la ingenieria termica es el de rendimiento El rendimiento de una maquina termica se define como h E s a l i d a E e n t r a d a displaystyle eta frac E rm salida E rm entrada donde dependiendo del tipo de maquina termica estas energias seran el calor o el trabajo que se transfieran en determinados subsistemas de la maquina Teorema de Carnot Editar Articulo principal Ciclo de Carnot Nicolas Leonard Sadi Carnot en 1824 demostro que el rendimiento de alguna maquina termica que tuviese la maxima eficiencia posible a las que en la actualidad se denotan con su nombre y que operase entre dos termostatos focos con temperatura constante dependeria solo de las temperaturas de dichos focos Por ejemplo el rendimiento para un motor termico de Carnot viene dado por h m C 1 T f T c displaystyle eta mC 1 frac T f T c donde T c displaystyle T c y T f displaystyle T f son las temperaturas del termostato caliente y del termostato frio respectivamente medidas en Kelvin Este rendimiento maximo es el correspondiente al de una maquina termica reversible la cual es solo una idealizacion por lo que cualquier maquina termica construida tendra un rendimiento menor que el de una maquina reversible operando entre los mismos focos de manera que h m t r e v e r s i b l e gt h m t i r r e v e r s i b l e displaystyle eta rm m t reversible gt eta rm m t irreversible Instrumentacion EditarExisten dos tipos de instrumentos termodinamicos el medidor y el deposito Un medidor termodinamico es cualquier dispositivo que mide cualquier parametro de un sistema termodinamico En algunos casos el parametro termodinamico se define realmente en terminos de un instrumento de medida idealizado Por ejemplo el principio cero establece que si dos cuerpos estan en equilibrio termico con un tercer cuerpo tambien estan en equilibrio termico entre ellos Este principio tal y como senalo James Maxwell en 1872 afirma que es posible medir la temperatura Un termometro idealizado es una muestra de un gas ideal a presion constante A partir de la ley de los gases ideales pV nRT el volumen de dicha muestra puede utilizarse como indicador de la temperatura de esta manera define la temperatura Aunque la presion se define mecanicamente tambien se puede construir un aparato para medir la presion llamado barometro a partir de una muestra de un gas ideal mantenida a temperatura constante Un calorimetro es un dispositivo que se utiliza para medir y definir la energia interna de un sistema Un deposito termodinamico es un sistema que es tan grande que sus parametros de estado no se alteran de forma apreciable cuando se pone en contacto con el sistema de interes Cuando el deposito se pone en contacto con el sistema el sistema entra en equilibrio con el deposito Por ejemplo un deposito de presion es un sistema a una presion determinada que impone esa presion al sistema al que esta conectado mecanicamente La atmosfera terrestre suele utilizarse como deposito de presion El oceano puede actuar como deposito de temperatura cuando se utiliza para refrigerar centrales electricas Variables conjugadas EditarArticulo principal Variables conjugadas El concepto central de la termodinamica es el de energia la capacidad de hacer trabajo Por el Primer Principio la energia total de un sistema y su entorno se conserva La energia puede ser transferida a un sistema por calentamiento compresion o adicion de materia y extraida de un sistema por enfriamiento expansion o extraccion de materia En mecanica por ejemplo la transferencia de energia es igual al producto de la fuerza aplicada a un cuerpo y el desplazamiento resultante Las variables conjugadas son pares de conceptos termodinamicos siendo la primera similar a una fuerza aplicada a algun sistema termodinamico la segunda similar al desplazamiento resultante y el producto de las dos igual a la cantidad de energia transferida Las variables conjugadas comunes son Presion volumen los parametros mecanicos Temperatura entropia parametros termicos Potencial quimico numero de particulas parametros materiales Campos de aplicacion EditarDinamica de la atmosfera Termodinamica biologica Termodinamica de los agujeros negros Termodinamica quimica Termodinamica clasica Termodinamica del equilibrio Ecologia industrial re Exergia Termodinamica de maxima entropia Termodinamica del no equilibrio Filosofia de la fisica termica y estadistica Psicrometria Termodinamica cuantica Termodinamica estadistica TermoeconomiaDiagramas termodinamicos EditarDiagrama PVT Diagrama de fase Diagrama p v Diagrama temperatura entropiaVease tambien EditarLudwig Boltzmann Calor y temperatura continuacion del estudio de la termodinamica Caos Constante de Boltzmann Energia Entalpia Entropia Exergia Neguentropia Sistemica Termoquimica Transmision de calor Fluctuacion cuanticaNotas Editar Tambien se le llama frecuentemente primera ley de la termodinamica sin embargo en espanol como en frances a diferencia del ingles por ejemplo First law of thermodynamics se usa la palabra principio para designar leyes naturales que no pueden demostrarse explicitamente sin embargo se pueden medir y cuantificar observando los resultados que producen En espanol como en frances a diferencia del ingles por ejemplo Third law of thermodynamics se usa la palabra principio para designar leyes naturales que no pueden demostrarse explicitamente sin embargo se pueden medir y cuantificar observando los resultados que producen Referencias Editar Real Academia Espanola y Asociacion de Academias de la Lengua Espanola termodinamica Diccionario de la lengua espanola 23 ª edicion Ver R RIVAS 1986 a b c Callen H Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics 2nd Ed Wiley 1985 Asaro R Lubarda V Mechanics of Solids and Materials Cambridge University Press 2006 Conceptos basicos de Termodinamica Consultado el 1 de febrero de 2008 teoria cinetica de los gases Consultado el 1 de febrero de 2008 Reif F Fundamentals of Statistical and Thermal Physics McGraww Hill New York 1985 pag 3 Cfr Callen H 1985 Reif F 1985 Reif F Fundamentals of Statistical and Thermal Physics McGraw Hill New York 1985 La entropia se define en termodinamica moderna para sistemas que se encuentran en 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Introduccion a las teorias fisicas de la termostatica del equilibrio y de la termodinamica irreversible Editorial AC libros cientificos y tecnicos Madrid ISBN 8472880427 Bibliografia EditarBoltzmann Ludwig 1986 Escritos de mecanica y termodinamica Alianza Editorial ISBN 842060173X Perez Cruz Justo R 2005 La Termodinamica de Galileo a Gibbs Fundacion Canaria Orotava de Historia de la Ciencia ISBN 978 84 609 7580 9 Archivado desde el original el 16 de octubre de 2013 Consultado el 18 de marzo de 2010 Planck Max 1990 Treatise on Thermodynamics Dover Publications ISBN 048666371X Zemansky Mark W 1985 Calor y termodinamica Madrid McGraw Hill ISBN 84 85240 85 5 Callen Herbert B 1985 Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics John Wiley amp Sons Reif Federick 1985 Fundamentals of Statistical and Thermal Physics McGraw Hill Masanes Lluis amp Oppenheim Jonathan 2017 A general derivation and quantification of the third law of thermodynamics Nature Goldstein Martin Inge F 1993 The 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Michael A 2002 Thermodynamics an Engineering Approach McGraw Hill ISBN 978 0 07 238332 4 OCLC 45791449 requiere registro Dunning Davies Jeremy 1997 Concise Thermodynamics Principles and Applications Horwood Publishing ISBN 978 1 8985 6315 0 OCLC 36025958 Kroemer Herbert Kittel Charles 1980 Thermal Physics W H Freeman Company ISBN 978 0 7167 1088 2 OCLC 32932988 Enlaces externos Editar Wikimedia Commons alberga una galeria multimedia sobre Termodinamica Wikcionario tiene definiciones y otra informacion sobre termodinamica Wikiversidad alberga proyectos de aprendizaje sobre Termodinamica Datos Q11473 Multimedia Thermodynamics Citas celebres Termodinamica Obtenido de https es wikipedia org w index php title Termodinamica amp oldid 139310357, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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