El estudio de la termodinámica es la rama de la física que estudia y describe las transformaciones termodinámicas inducidas por el calor y el trabajo en un sistema termodinámico. Estas transformaciones son el resultado de procesos que implican cambios en las variables de estado de temperatura y energía a nivel macrosópico.
La termodinámica clásica se basa en el concepto de sistema macroscópico, es decir, una porción de masa física o conceptualmente separada del entorno externo, que a menudo se supone por comodidad que no se ve perturbada por el intercambio de energía con el sistema.
El estado de un sistema macroscópico que está en condiciones de equilibrio se especifica mediante cantidades llamadas variables termodinámicas o funciones de estado tales como temperatura, presión, volumen y composición química. Las principales notaciones en termodinámica química han sido establecidas por la unión internacional de química pura y aplicada.
Sin embargo, hay una rama de la termodinámica, llamada termodinámica del no equilibrio que estudia los procesos termodinámicos caracterizados por la incapacidad de lograr condiciones de equilibrio estables.
¿Qué estudia la termodinámica clásica?
La termodinámica clásica se centra en el estudio de los sistemas macroscópicos en equilibrio, utilizando propiedades medibles y observables. Esta rama se basa en principios fundamentales como la conservación de la energía y las leyes que gobiernan las transformaciones térmicas. (Gealat)
Además de la termodinámica clásica, existen otras ramas que complementan su estudio:
- Física estadística: Relaciona las propiedades microscópicas de las partículas (átomos y moléculas) con las propiedades macroscópicas observables, proporcionando una interpretación a nivel microscópico de los conceptos termodinámicos.
- Termodinámica química: Aplica los principios de la termodinámica al estudio de las reacciones químicas y los cambios de fase, analizando cómo la energía y la entropía influyen en la dirección y el equilibrio de los procesos químicos.
- Termodinámica del equilibrio: Se enfoca en los sistemas que alcanzan un estado de equilibrio termodinámico, analizando las condiciones bajo las cuales ocurren las transferencias de materia y energía en estos sistemas.
- Termodinámica de no equilibrio: Estudia los sistemas que no están en equilibrio termodinámico, abordando los procesos irreversibles y las fluctuaciones que ocurren fuera del equilibrio.
Leyes de la termodinámica clásica
Los principios de la termodinámica se enunciaron durante el siglo XIX y regulan las transformaciones termodinámicas, su progreso, sus límites. Son axiomas reales, no probados e indemostrables, basados en la experiencia, en los que se basa toda la teoría de la termodinámica.
Podemos distinguir tres principios básicos, más un principio "cero" que define la temperatura y que está implícito en los otros tres.
Ley cero de la termodinámica
Cuando dos sistemas que interactúan están en equilibrio térmico, comparten algunas propiedades, que se pueden medir, lo que les da un valor numérico preciso. Como resultado, cuando dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio entre sí y la propiedad compartida es la temperatura.
El principio cero de la termodinámica simplemente dice que, si un cuerpo "A" está en equilibrio térmico con un cuerpo "B" y "B" está en equilibrio térmico con un cuerpo "C", entonces "A" y "C" están en equilibrio térmico equilibrio entre ellos.
Este principio explica el hecho de que dos cuerpos a diferentes temperaturas, entre los cuales se intercambia calor (incluso si este concepto no está presente en el principio cero) terminan alcanzando la misma temperatura.
Primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica clásica, también conocida como el principio de conservación de la energía, establece que la energía total de un sistema aislado se conserva. En otras palabras, la energía no puede ser creada ni destruida, solo puede transformarse de una forma a otra.
La formulación matemática de la primera ley de la termodinámica es:
\[\Delta U = Q - W\]
donde ΔU representa la variación de la energía interna del sistema, Q es el calor transferido al sistema desde el entorno y W es el trabajo realizado por el sistema en el entorno.
Esta ecuación indica que cualquier cambio en la energía interna de un sistema se debe a la transferencia de calor y al trabajo realizado. Si Q es positivo, significa que se está suministrando calor al sistema, mientras que si es negativo, el sistema está liberando calor al entorno. De manera similar, si W es positivo, indica que el sistema realiza trabajo sobre el entorno, y si es negativo, el entorno realiza trabajo sobre el sistema.
Segunda ley de la termodinámica
Hay varias declaraciones del segundo principio, todas equivalentes, y cada una de las formulaciones enfatiza un aspecto particular. Establece que "es imposible realizar una máquina cíclica que tiene como único resultado la transferencia de calor de un cuerpo frío a uno cálido" (declaración de Clausius ) o, de forma equivalente, que "es imposible llevar a cabo una transformación cuyo resultado es solo el de convierta el calor extraído de una sola fuente en trabajo mecánico "( declaración de Kelvin ).
Esta última limitación niega la posibilidad de realizar el llamado movimiento perpetuo de la segunda especie. L ' entropía el total de un sistema aislado permanece sin cambios cuando tiene lugar una transformación reversible y aumenta cuando tiene lugar una transformación irreversible.
Tercera ley de la termodinámica
La tercera ley de la termodinámica clásica establece que es imposible alcanzar el cero absoluto (0 Kelvin) mediante un número finito de transformaciones termodinámicas. Esta ley fue formulada por Walther Nernst en 1906.
En términos más precisos, la tercera ley establece que la entropía de un sistema puro y perfectamente cristalino es cero cuando la temperatura alcanza el cero absoluto. La entropía es una medida del desorden o la aleatoriedad de un sistema, y la tercera ley indica que a medida que la temperatura se acerca al cero absoluto, la entropía del sistema también tiende a cero.
Aplicaciones de la termodinámica clásica
La termodinámica clásica tiene una amplia gama de aplicaciones prácticas. A continuación, se presentan algunas de las áreas en las que la termodinámica clásica es ampliamente utilizada:
- Ingeniería de energía: La termodinámica clásica es esencial para el diseño y la optimización de sistemas de generación de energía, como centrales eléctricas, turbinas de gas, motores de combustión interna y sistemas de energía renovable. Ayuda a comprender la eficiencia energética, los ciclos termodinámicos y la transferencia de calor en estos sistemas.
- Ingeniería química: La termodinámica clásica es crucial para el diseño y la operación de procesos químicos, incluyendo la producción de productos químicos, refinación de petróleo, síntesis de materiales y producción de alimentos. Permite el análisis de equilibrios químicos, cálculos de transferencia de calor y optimización de procesos.
- Refrigeración y aire acondicionado: La termodinámica clásica es esencial para comprender los ciclos de refrigeración y los sistemas de aire acondicionado. Ayuda en el diseño de sistemas de refrigeración, la selección de refrigerantes y el cálculo de la capacidad de enfriamiento.
- Ciencia de los materiales: La termodinámica clásica se utiliza para estudiar las propiedades de los materiales en diferentes estados termodinámicos, como la fase sólida, líquida y gaseosa. Ayuda a predecir la estabilidad de fases, las transiciones de fase y las propiedades de equilibrio, como la presión de vapor y la solubilidad.
- Estudio del equilibrio químico: La termodinámica clásica es fundamental para comprender el equilibrio químico y el comportamiento de las reacciones químicas. Permite determinar si una reacción es espontánea o no, y proporciona información sobre el rendimiento termodinámico de los procesos químicos.
- Investigación atmosférica y climática: La termodinámica clásica se aplica en el estudio de la atmósfera, el clima y los fenómenos meteorológicos. Ayuda a comprender los procesos de transferencia de calor en la atmósfera, la formación de nubes y la radiación solar.