(Gp:) Termodinámica (Gp:) La termodinámica es la
rama de la física que estudia la energía, la
transformación entre sus distintas manifestaciones, como
el calor, y su capacidad para producir un trabajo. (Gp:) Un
sistema puede ser cualquier objeto, masa, región del
espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo
(mentalmente) de todo lo demás, que pasa a ser el entorno
del sistema. El sistema y su entorno forman el universo. La
distinción entre sistema y entorno es arbitraria: el
sistema es lo que el observador ha escogido para estudiar. La
envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa del
entorno se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene
propiedades especiales que sirven para: a) aislar el sistema de
su entorno o para b) permitir la interacción de un modo
específico entre el sistema y su ambiente.
Un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar materia ni
energía con su entorno. Un sistema cerrado es aquel que
sólo puede intercambiar energía con su entorno,
pero no materia. Un sistema abierto es aquel que puede
intercambiar materia y energía con su entorno. Sistema
termodinámico Un sistema termodinámico es un
sistema macroscópico cuyas características
microscópicas (la posición y la velocidad de las
partículas en cada instante) es inaccesible y donde
sólo son accesibles sus características
estadísticas. El estado de un sistema representa la
totalidad de las propiedades macroscópicas asociadas con
él. Cualquier sistema que muestre un conjunto de variables
identificables tiene un estado termodinámico, ya sea que
esté o no en equilibrio.
La termodinámica se ocupa de la energía y sus
transformaciones en los sistemas desde un punto de vista
macroscópico Un sistema puede ser cualquier objeto,
cualquier cantidad de materia, cualquier región del
espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo
(mentalmente) de todo lo demás, lo cual se convierte
entonces en el entorno del sistema. sistema + entorno = universo.
La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de
sus inmediaciones (entorno) se llama frontera del sistema y puede
pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para: a)
aislar el sistema de su entorno o para b) permitir la
interacción de un modo específico entre el sistema
y su ambiente.
Llamamos sistema, o medio interior, la porción del espacio
limitado por una superficie real o ficticia, donde se
sitúa la materia estudiada. El resto del universo es el
medio exterior.
Si la frontera permite la interacción entre el sistema y
su entorno, tal interacción se realiza a través de
los canales existentes en la frontera. Los canales pueden ser
inespecíficos para interacciones fundamentales tales como
el calor o la interacción mecánica o
eléctrica, o muy específicos para interacciones de
transporte. Sistemas aislados, cerrados y abiertos Sistema
aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni
energía con su entorno. Sistema cerrado es el sistema que
sólo puede intercambiar energía con su entorno,
pero no materia. Sistema abierto es el sistema que puede
intercambiar materia y energía con su entorno.
Todo sistema posee una estructura microscópica
(moléculas, ellas mismas formadas por átomos, ellos
mismos formados por partículas elementales); de modo que
uno puede considerar, a priori, las características
microscópicas, propias de cada una de las
partículas constitutivas del sistema, y las
características macroscópicas correspondientes al
comportamiento estadístico de estas partículas.
Sistema termodinámico Un sistema termodinámico es
un sistema macroscópico, es decir, un sistema cuyo detalle
de sus características microscópicas (comprendida
la posición y la velocidad de las partículas en
cada instante) es inaccesible y donde sólo son accesibles
sus características estadísticas.
Estado de un sistema y sus transformaciones la palabra estado
representa la totalidad de las propiedades macroscópicas
asociadas con un sistema… Cualquier sistema que muestre un
conjunto de variables identificables tiene un estado
termodinámico, ya sea que esté o no en
equilibrio.!!!! Concepto de transformación: estado inicial
y estado final, transformación infinitesimal Se dice que
ocurre una transformación en un sistema si, como
mínimo, cambia de valor una variable de estado dentro del
mismo a lo largo del tiempo. Si el estado inicial es distinto del
estado final, la transformación es abierta. Si los estados
inicial y final son iguales, la transformación es cerrada.
Si el estado final es muy próximo al estado inicial, la
transformación es infinitesimal. El interés de la
termodinámica se centra en los estados inicial y final de
las transformaciones, independientemente del camino seguido. Eso
es posible gracias a las funciones de estado.
Transformaciones reversibles e irreversibles Una
transformación es reversible si se realiza mediante una
sucesión de estados de equilibrio del sistema con su
entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado
inicial por el mismo camino. Reversibilidad y equilibrio son
equivalentes. Si una transformación no cumple estas
condiciones se llama irreversible. Equilibrio
termodinámico Las propiedades termodinámicas de un
sistema vienen dadas por los atributos físicos
macroscópicos observables del sistema, mediante la
observación directa o mediante algún instrumento de
medida. Un sistema está en equilibrio termodinámico
cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades
termodinámicas a lo largo del tiempo. Los estados de
equilibrio son, por definición, estados independientes del
tiempo.
El estado de equilibrio termodinámico se caracteriza por
la anulación por compensación de flujos de
intercambio y la homogeneidad espacial de los parámetros
que caracterizan el sistema que ya no dependen del tiempo. Un
estado de no equilibrio es un estado con intercambios netos de
masa o energía y sus parámetros
característicos dependen en general de la posición
y del tiempo. Si no dependen del tiempo, necesitan la
intervención del entorno para mantener sus valores (estado
estacionario fuera del equilibrio).
Reversibilidad Un proceso es reversible si su dirección
puede invertirse en cualquier punto mediante un cambio
pequeño en las condiciones externas. Para los procesos
reversibles es posible basar los cálculos en las
propiedades del sistema (con independencia de los del entorno).
En los procesos reversibles, el sistema nunca se desplaza
más que su equilibrio interno o de su equilibrio con su
entorno. Noción de deposito Se llama depósito un
sistema cuyas variables intensivas no varían ni en el
espacio ni en el tiempo, sean cuales sean los intercambios
efectuados entre el sistema y el entorno. Así, un
depósito es una fase que permanece indefinidamente
idéntica a si misma. Ello implica que: 1) para todas las
cantidades extensivas susceptibles de ser intercambiadas, puede
considerarse que el sistema tiene una capacidad ilimitada. 2) que
los intercambios se producen lentamente de forma que no se
producen gradientes dentro del sistema de sus variables
intensivas. 3) que no se producen reacciones químicas
dentro del sistema.
La primera ley de la termodinámica afirma que la
energía total de cualquier sistema aislado se conserva.
También conocida como ley de la conservación de la
energía, la Primera ley de la termodinámica
establece que si se realiza trabajo sobre un sistema, la
energía interna del sistema variará. Se trata de la
generalización de la segunda ley de Newton
(conservación del movimiento), en este caso llamamos al
calor “Q” y la adoptamos como una forma de
energía y la energía interna “U” como
una propiedad de la materia. El primer reconocimiento del
principio de conservación, por Leibniz en 1693, se
refería sólo a la suma de la energía
cinética (½mv2) y la energía potencial (mgh)
de una masa mecánica simple situada en el campo
gravitacional terrestre. A medida que se fueron considerando
nuevos tipos de sistemas, la forma establecida del principio de
conservación fallaba repetidamente, pero en cada caso, fue
posible revivirlo mediante la incorporación de un nuevo
término matemático (una 'nueva clase de
energía')… El principio de la conservación de la
energía es uno de los más fundamentales, generales
y significantes principios de la teoría física.
La primera ley de la termodinámica identifica el calor
como una forma de energía. Esta idea, que hoy nos parece
elemental, tardó mucho en abrirse camino y no fue
formulada hasta la década de 1840, gracias a las
investigaciones de Mayer y de Joule principalmente.
Anteriormente, se pensaba que el calor era una sustancia
indestructible y sin peso (el calórico) que no
tenía nada que ver con la energía.
Energía En la práctica, en las situaciones
no-relativistas, se tiende, en primera aproximación
(normalmente muy buena), a descomponer la energía total en
una suma de términos que se llaman las diferentes formas
de la energía… La energía potencial y la
energía cinética son dos elementos a considerar,
tanto en la mecánica como en la termodinámica.
Estas formas de energía se originan por la posición
y el movimiento de un sistema en conjunto, y se conocen como la
energía externa del sistema. La energía interior de
la materia, energía asociada con el estado interno de un
sistema que se llama energía interna. Cuando se sabe un
número suficiente de datos termodinámicos, como por
ejemplo, temperatura y presión, se puede determinar el
estado interno de un sistema y se fija su energía interna.
La energía interna de un sistema, es el resultado de la
energía cinética de las moléculas o
átomos que lo constituyen, de sus energía de
rotación y vibración, además de la
energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de
tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear, que
constituyen conjuntamente las interacciones fundamentales. Al
aumentar la temperatura de un sistema, sin que varíe nada
más, aumenta su energía interna.
En general la energía total, ET , de un sistema puede
descomponerse en energía de masa, Em, energía
cinética, Ek, energía potencial, Ep, y
energía interna, U, es decir, ET = Em + Ek + Ep + U La
energía cinética es una forma de energía
debida al movimiento de los cuerpos. Equivale al trabajo que es
necesario realizar para que el cuerpo pase del estado de reposo (
v = 0 ) al estado de desplazamiento con una velocidad v. La
energía potencial puede pensarse como la energía
almacenada en un sistema, o como una medida del trabajo que un
sistema puede entregar. Más rigurosamente, la
energía potencial es un campo escalar (es decir, una
función de la posición) asociado a una fuerza, y
tal que la diferencia entre los valores del campo en dos puntos A
y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para cualquier
recorrido entre B y A.
donde Em = mc2 Ec = ½mv2 La energía potencial
depende de los campos externos a los que está sometido el
sistema y viene dada por una función de la
posición, y la energía interna U que considera la
energía de las partículas que constituyen el
sistema y sus interacciones a corta distancia. En realidad, esta
descomposición permite distinguir entre las formas de
energía 'mecánica' (Em, Ek y Ep) y una forma de
energía 'termodinámica' (U) que tiene sentido para
un sistema estadístico constituido por un gran
número de partículas.
El cambio de energía total del sistema… DE = DEc +
DEp + DU donde DEk y DEp representan el cambio de su
energía externa, cinética y potencial
respectivamente, y DU representa el cambio de su energía
interna, dada por la energía cinética y potencial
de las moléculas, átomos y partículas
subatómicas que constituyen el sistema. Energía
interna La energía interna de un sistema, U, tiene la
forma de energía cinética y potencial de las
moléculas, átomos y partículas
subatómicas que constituyen el sistema, es decir, U = Ec
int + Ep int donde la energía cinética interna es
la suma de la energía cinética de todas las
partículas del sistema. y la energía potencial
interna es la suma de la energía potencial debida a la
interacción de todas las partículas entre si.
Medida de la energía Sólo las diferencias de
energía, en vez de los valores absolutos de
energía, tienen significación física, tanto
a nivel atómico como en sistemas macroscópicos.
Convencionalmente se adopta algún estado particular de un
sistema como estado de referencia, la energía del cual se
asigna arbitrariamente a cero. La energía de un sistema en
cualquier otro estado, relativa a la energía del sistema
en el estado de referencia, se llama la energía
termodinámica del sistema en ese estado y se denota por el
símbolo U.
Primera ley de la termodinámica Para un sistema cerrado
(de masa constante) la primera ley de la termodinámica se
expresa matemáticamente por medio de: DET = Q – W donde
DET es el cambio total de energía del sistema, Q es el
calor agregado al sistema y W el trabajo realizado por el
sistema. La primera ley de la termodinámica expresa que el
cambio total de energía de un sistema cerrado es igual al
calor transferido al sistema, menos el trabajo efectuado por el
sistema. Si se expande DET en la expresión de la primera
ley, se obtiene la ecuación DEc + DEp + DU = Q – W En el
caso frecuente donde las energías potencial y
cinética (energía externa) del sistema no cambian,
esta ecuación se convierte en: DU = Q – W o, en forma
diferencial, dU = dQ – dW y todo el intercambio de energía
con el entorno sirve para cambiar sólo la energía
interna.
Formas de intercambio de energía sistema-entorno Para
sistemas cerrados, el intercambio de energía
sistema-entorno sólo puede ocurrir en dos formas: calor y
trabajo. Trabajo El trabajo en termodinámica siempre
representa un intercambio de energía entre un sistema y su
entorno. Cuando un sistema sufre una transformación, este
puede provocar cambios en su entorno. Si los cambios implican el
desplazamiento (variación) de las fuerzas que ejerce el
entorno sobre el sistema, o más precisamente sobre la
frontera entre el sistema y el entorno, entonces ha habido
producción de trabajo. Dependiendo del origen
físico de las fuerzas aplicadas al sistema se distinguen
diferentes formas de trabajo realizado. El trabajo tiene
dimensiones de energía y representa un intercambio de
energía entre el sistema y su entorno. Por
convención se considera que el trabajo realizado por el
sistema es positivo y el trabajo efectuado sobre el sistema es
negativo.
Calor El calor, al igual que el trabajo, se considera en
termodinámica como energía en tránsito a
través de la frontera que separa a un sistema de su
entorno. Sin embargo, a diferencia del trabajo, la transferencia
de calor se origina por una diferencia de temperatura entre el
sistema y su entorno y el simple contacto es el único
requisito para que el calor sea transferido por
conducción. No se considera el calor que se almacena en un
sistema. Cuando se le agrega energía en forma de calor a
un sistema se almacena como energía cinética y
potencial de las partículas microscópicas que lo
integran. Las unidades de calor son las de trabajo y
energía. La convención de signos utilizada para una
cantidad de calor Q es opuesta a la que se utiliza para el
trabajo. El calor añadido a un sistema se da con un
número positivo, en tanto que el calor extraído de
un sistema se da con un número negativo.
Potencia Cuando se realiza una cantidad de trabajo DW en un
intervalo de tiempo Dt, la potencia media se define como la
velocidad media a la que se realiza el trabajo… Ej: sacar
nieve con una pala o con una maquina quita nieve.. El trabajo es
el mismo pero la velocidad es distinta, la máquina lo hace
mucho más rápido, es decir es más POTENTE.
P=DW/Dt Juoles /seg= vatios=W P = Fs x Ds/Dt Cuando se aplica una
fuerza y hay desplazamiento.
Segunda ley de la termodinámica La primera ley es
útil para comprender el flujo de energía durante un
proceso. Pero no nos dice cuáles de los procesos conservan
la energía son posibles, ni nos permite predecir en
qué estado se hallará un sistema en determinadas
condiciones. Por ej., supongamos que una maquina quema
combustible y que el calor producido se suministra a una
máquina de vapor. La primera ley dice que el trabajo
realizado por la maquina más el calor desprendido por ella
al exterior son iguales al calor suministrado , ya que la
energía interna de la maquina no varía. No sabemos
nada a cerca del rendimiento de la maquina… La segunda ley
trata de estudiar el comportamiento más probable de un
número de moléculas o partículas… Los
sistemas tienden a evolucionar de configuraciones muy ordenadas,
altamente improbables en la naturaleza, hacia configuraciones
más desordenadas, que son más probables
estadísticamente.
Los sistemas tienden a estados de máximo desorden o caos
molecular… Entropía Depende solo del sistema y no
de qué proceso particular siguió para llegar a ese
estado. Si hablamos de entropía tenemos que definir
nuevamente procesos reversibles e irreversibles… Un
procesos reversible es aquel en que se puede hacer que el sistema
vuelva a su estado original sin variación neta del sistema
ni del medio ambiente.
La mayoría de los procesos naturales son
irreversibles… Cuando se transforma calor entre dos
objetos de distinta temperaturas, puede hacerse que el calor
vuelva al sistema de mayor temperatura, pero esto requiere
TRABAJO por parte del medio externo… Es decir el medio
externo se tiene qu modificar para poder devolverle el estado
inicial al sistema. Definiendo entropía… Si
añadimos a un sistema una pequeña cantidad de calor
DQ a una temperatura Kelvin T durante un proceso reversible, el
cambio de entropía es… DS= DQ/T Proceso
reversible
La entropía total del sistema más el medio exterior
nunca puede disminuir… DS (total)> ó = 0 El
desorden molecular de un sistema más el medio es constante
si el proceso es reversible y aumenta (DS es +) si el proceso es
irreversible…