Termodinámica: Qué es, principios y procesos


Termodinámica

Este post trata sobre el concepto de termodinámica.

En el te hablaré sobre:

  • Qué es la termodinámica, haciendo especial referencia a la relación entre la temperatura y el calor. 
  • Cuáles son las leyes por las que se rige la termodinámica, aclarando cuál es el concepto principal que explican.
  • Cómo se definen y relacionan los conceptos de estado y proceso termodinámico. Tipos de procesos termodinámicos.

¿Qué es la termodinámica?


La termodinámica es la especialidad que estudia las variaciones en la transferencia de energía vibratoria de la materia. Para ello, relaciona esta característica con la temperatura, el trabajo, la radiación y otras propiedades físicas.

La idea fundamental con la que primero tienes que relacionar a la termodinámica es la energía térmica (temperatura). Esta, no es más que el movimiento vibratorio de las moléculas. Pero, ¿porque estudiar este movimiento es fundamental para entender la termodinámica?

Qué-es-la-termodinámica
Definición de termodinámica. Explicación del concepto de calor: variables relacionadas y transformación en otras formas de energía

Pues es fundamental porque el objetivo de la termodinámica es medir el calor de un sistema. O lo que es lo mismo, la transferencia del movimiento vibratorio molecular de un sistema a otro.

Desde un punto de vista realista y preciso, esta es una tarea muy compleja. Cada sistema tiene infinidad de átomos y moléculas, y por lo tanto, potencialmente, infinidad de velocidades y direcciones de movimiento. Además, a todo eso hay que añadirle las interacciones entre moléculas…

Por esta razón, existen formas de describir estos sistemas de forma general y con bastante exactitud en muchas situaciones. Esto se consigue definiendo una serie de variables que se sabe que están muy relacionadas con el calor del sistema. Estas variables son la temperatura, la masa, el volumen o la presión.

Una vez definidas estas variables en dos o más sistemas, podemos calcular la tasa de transferencia energética que se producirá. Es decir, la cantidad de calor que intercambiarán estos sistemas.

La variación del calor se produce porque dos o más sistemas tienen diferente temperatura. De esta forma, se transfiere energía de forma espontánea desde el sistema con mayor temperatura hasta el sistema que menos tiene. La transferencia energética termina una vez que ambos sistemas igualan sus temperaturas.

Tienes que saber también, que la energía en forma de vibración no solo se transfiere sino que además se puede transformar en otros tipos de energía. Por ejemplo, en energía en forma de movimiento dirigido (otro tipo de energía cinética), energía en forma de cargas eléctricas (energía eléctrica), energía en forma de fotones (energía electromagnética), etc…

Principios de la termodinámica


Los principios de la termodinámica son un conjunto de leyes que definen de manera general como evoluciona un suceso dentro de un sistema termodinámico. Para ello, describen las relaciones existentes entre la energía, la temperatura, la entropía y otras variables termodinámicas.

Como seguramente sabes, un sistema termodinámico es simplemente un espacio definido de estudio (con límites arbitrarios) en el que se usan las variables termodinámicas para explicar como funciona.

De esta forma, las leyes de las que te hablaré a continuación son, esencialmente, la explicación probada de como se relacionan estas variables en un espacio físico determinado:

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Explicación de las 4 leyes de la termodinámica

0. Ley cero: Si un sistema esta en equilibrio térmico con otros dos sistemas, eso implica que los tres sistemas están en equilibrio térmico entre sí.

Esta ley nos sirve para entender a la temperatura como una variable independiente del sistema. En el resto de situaciones (no equilibrio) la temperatura es una variable dependiente.

1. Primera ley: La energía no puede ser destruida ni creada, solo puede transformarse en otras fuentes de energía o transferirse.

Define además la energía propia del sistema (energía interna), que no es más que la suma de la energía vibratoria de cada átomo y sus posibles interacciones.

Por último, define el concepto de trabajo como la combinación de la energía interna del sistema más la energía externa aplicada al sistema (energía gravitatoria, cinética, etc…) para dar lugar a una fuerza mecánica macroscópica. 

En resumen, esta ley define los tipos de energía y como interactúan en un sistema termodinámico.

2. Segunda ley: Dos sistemas con diferentes temperaturas tienden a transferir calor entre ellos lo que conlleva inevitablemente a un aumento del desorden (entropía) hasta que alcancen el equilibrio.

La entropía es una parte de la energía de la transferencia del calor, en concreto, es la energía que ya no puede usarse para producir trabajo. Esta energía incapaz de realizar trabajo sigue existiendo, por lo que contribuye al aumento del desorden en el universo. 

Esta ley nos explica como el proceso de generación de entropía es irreversible, lo que implica que el desorden en el universo solo puede aumentar.

3. Tercera ley: En un sistema con una temperatura de cero absoluto la entropía posee un valor mínimo que es constante y residual. Por lo tanto, este sistema posee el mínimo de microestados posibles (es el sistema más ordenado que puede existir).

Estados y procesos termodinámicos


Un estado termodinámico es una descripción cuantitativa de las variables de un sistema en un instante determinado.

Tienes que saber, que la forma en la que se mide esta descripción es diferente en función de que variable se cuantifique. Es decir, que existen dos tipos de variables que tienen diferentes condiciones de medida:

  • Variables extensivas: La cuantificación de esta variable depende del tamaño del sistema (por ejemplo; el volumen o la masa).
  • Variables intensivas: La cuantificación de esta variable no depende del tamaño del sistema (por ejemplo; la temperatura y la presión).
Estados-y-procesos-termodinámicos
Definición de estado y proceso termodinámico. Clasificación de los procesos termodinámicos.

Una vez que las variables han sido cuantificadas pueden relacionarse mediante ecuaciones de estado. Y a su vez, varias de estas ecuaciones calculadas a partir de medidas de las variables a diferentes tiempos nos permiten describir las propiedades de un sistema.

Estas propiedades se resumen en lo que se conoce como procesos termodinámicos. Estos, son la descripción de todos los estados termodinámicos de un sistema a lo largo de un lapso de tiempo determinado.

Siendo aún más específicos, la descripción de la evolución de las variables en un proceso termodinámico puede ser de dos tipos; constantes o variables. Y es precisamente esta descripción, la que da forma a la clasificación de los procesos termodinámicos:

  • Isométrico: Es un proceso en el que la variable “volumen” se mantiene constante.
  • Isotérmico: Es un proceso en el que la variable “temperatura” se mantiene constante.
  • Isobárico: Es un proceso en el que la variable “presión” se mantiene constante.
  • Isoentrópico: Es un proceso en el que la variable “entropía” se mantiene constante. 

Es importante que entiendas también, que un sistema puede experimentar más de uno de estos procesos a la vez. De hecho, existe una definición que ya hemos visto en el apartado anterior (estado de equilibrio termodinámico) en el que el sistema experimenta todos estos procesos al mismo tiempo.

Eso sí, estos estados de equilibrio son solo una formalización teórica, ya que en la práctica conseguir sistemas con valores constantes continuos no es posible. Por esta razón, se suele usar mucho la definición de estado de equilibrio dinámico. Funciona de la misma forma que un equilibrio normal pero sabiendo que esto no ocurre de forma absoluta, sino como consecuencia de pequeños cambios que se solapan rápidamente.

Referencias



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