TERMODINAMICA: 4.1 DEFINICIONES

Termodinámica:

Es la rama de la física que se encarga del estudio de la transformación del calor en trabajo y viceversa. Su estudio se inicio en el siglo XVIII y sus principios se fundamentan en fenómenos comprobados experimentalmente.

Sistemas termodinámicos y paredes diatermicas y adiabaticas

Sistema termodinámico:

Es alguna porción de materia que separamos del resto del universo por medio de un limite o frontera con el propósito de poder estudiarlo.

Paredes diatermicas y adiabáticas:

La frontera de un sistema puede estar constituida con paredes diatermicas o con paredes adiabaticas. Una pared diatermica es aquella que permite la interacción térmica del sistema con los alrededores. Una pared adiabatica no permite que exista interacción térmica del sistema con los alrededores.

Al calentar agua en una matraz utilizando una flama, observamos que con el tiempo, el agua entrara en ebullición, pues nuestro sistema(el agua), interacciona térmicamente con los alrededores(la flama y el medio), ya que el matraz hecho de vidrio actúa como pared diatermica. Pero si en lugar de calentar el agua en un matraz lo hacemos en un termo constituido por un recipiente de doble pared y con vació intermedio, observaremos que nos se calentara porque ahora la pared es adiabatica y no permite la interacción térmica entre la flama y el sistema.

Procesos termodinámicos adiabáticos y no adiabáticos

Un proceso térmico es adiabatico si el sistema no cede ni recibe calor, por lo que se realiza a calor constante. Para ello se utiliza fronteras hechas con paredes adiabaticas.

Un proceso térmico es no adiabatico cuando el sistema interacciona térmicamente con los alrededores, el calor fluye a través de las paredes diatermicas que constituyen la frontera y se producen un cambio tanto en los alrededores como en el sistema mismo. Durante los procesos térmicos no adiabáticos un sistema absorbe o cede calor. La cantidad de calor intercambiado en estos depende de la sustancia y del proceso del que se trate.

Equilibrio termodinámico

Cuando un sistema de baja temperatura se pone en contacto por medio de una pared diatermica con otro sistema de mayor temperatura, la temperatura del sistema frió aumenta mientras la temperatura del sistema caliente disminuye. Si se mantiene este contacto por un periodo largo, se establecerá el equilibrio termodinámico, es decir, ambos sistemas tendrán la misma temperatura. Es evidente que si los sistemas están formados por diferentes sustancias o diferentes porciones de ellas, no contienen la misma cantidad de energía interna aun que su temperatura sea igual.

Cuando la temperatura de un cuerpo caliente empieza a descender, las moléculas reducen el numero total e intensidad de sus procesos de movimiento.

Punto triple de una sustancia

Por definición, el punto triple de una sustancia es aquel en el cual sus tres fases(sólidos, líquidos gaseosos) coexisten en equilibrio termodinámico.

Para obtener en forma experimental el punto triple de una sustancia, se debe variar la temperatura y la presión hasta lograr con ciertos valores que la sustancia se encuentre en sus tres fases. Por ejemplo: el punto triple del agua es cuando el hielo, el agua liquida y el vapor de agua, coexisten en equilibrio térmico. La temperatura del punto triple del agua es de 273.16k y la presión es de 6.025 * 10^-3 atmósferas.
Si un cuerpo solido que se encuentra a una presión menor a la de su punto triple, es calentado, directamente se gasificara sin pasar por el estado liquido, efectuándose así una sublimación.

Energía interna

La energía interna de un sistema se define como la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas individuales que lo constituyen. Al suministrar calor a un sistema, se provoca un aumento en la energía de agitación de sus moléculas, se produce un incremento en la energía interna del sistema y por consiguiente un aumento en la temperatura.
En general, cuando mayor sea la temperatura de un sistema, mayor sera su energía interna. Sin embargo, los valores absolutos de esta en las moléculas no se pueden precisar, motivo por el cual solo se determina la variación que sufre la energía del sistema mediante la expresión:

dU= Uf - Ui

donde: dV= variación de la energía interna expresada en joule(J)
Uf= energía interna final medida en joules(J)
Ui= energía interna inicial expresada en joules(J)

Equivalente mecánico del calor

En la actualidad a ningún estudiante de física le párese raro escuchar que el calor es una forma de energía y por lo mismo, las unidades para medirlo son las mismas empleadas para medir la energía. sin embargo, fue a fines del siglo XVIII cuando Benjamín Thompson, Conde de Rumford, propuso que el calentamiento causado por la fricción se debía a la conversión de la energía mecánica en termina, con ellos desecho la Teoría del Calorico. El ingles James Prescott Joule, industrial cervecero, continuo los estudios de Thompson y a mediados del siglo XIX comprobó que siempre que se realiza una cierta cantidad de trabajo se produce una cantidad equivalente de calor. Joule estableció el principio llamado equivalente mecánico del calor en el cual se demuestra que por cada Joule de trabajo se producen 0.24 calorías y que cuando una caloría de energía térmica se convierte en trabajo se obtienen 4.2 joules. Por tanto: 1 cal = 4.2 J 1J = 0.24 cal

Aun que la caloría y el Btu son unidades de calor creadas antes de aceptar que el calor es energía aun se utilizan amplia mente, pues son precisas y resultan practicas al resolver problemas. Por ello, no debemos olvidar que tanto el joule como la caloría son unidades empleadas para medir la energía calorífica y que de acuerdo con el equivalente mecánico del calor podemos transformar una unidad en otra.

Trabajo termodinámico

El cilindro de la figura 11.23 contiene un gas encerrado por un pistón o embolo. Para comprimir el gas se debe aplicar una fuerza al embolo, el cual al recorrer una cierta distancia disminuirá el volumen del gas, realizando un trabajo de compresión. El valor del trabajo efectuado puede calcularse de acuerdo con la siguiente deducción.

T= Fd.......................(1)
como p= F/A

F= PA.......................(2)
sustituyendo 2 en :

T=PAd......................(3)
como Ad es el volumen al que se ha comprimido el gas, tenemos:
Ad=dV = Vf - Vi......................(4)

sustituyendo 4 en 3:

T= P(Vf-Vi)..........................(5)
donde T= trabajo realizado en joules a una presión constante del gas(proceso isobárico)

P= presión constante del gas en N/m^2

Vf-Vi= variación de volumen en el gas en metros cúbicos(m3)

Al efectuarse un trabajo de compresión, este se transforma íntegramente en calor del sistema, porque comunica al gas una energía adicional que aumenta la energía interna de sus moléculas elevando la temperatura. En la compresión de un gas, el volumen final es menor al inicial, por tanto, el trabajo realizado es negativo y se dice que se efectuó un trabajo de los alrededores sobre el sistema.

En un trabajo de expansión producido gracias a la energía interna de las moléculas del gas, la temperatura del sistema disminuye. Al expenderse un gas el volumen final es mayo al inicial y, por tanto, el trabajo es positivo, entonces el sistema realiza un trabajo sobre los alrededores.

Cuando en un proceso el volumen del sistema permanece constante(proceso isocórico), no se realiza ningún trabajo por el sistema no sobre este, ya que dv=0 y, por tanto:

T= P(Vf-Vi)= T = PdV = 0

En la parte de etiquetas viene el link de un vídeo que explica la termodinanica, si no lo encuentran también lo dejare aquí: