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.
¿Cuáles son las leyes de la termodinámica?
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.
En la cinética principio formulación cero de la termodinámica es una tendencia a llegar a una energía cinética media común de los átomos y moléculas de los cuerpos entre los cuales lleva de intercambio de calor: en promedio, como resultado de las colisiones de las partículas del cuerpo más caliente, en promedio, más rápido, con las partículas del cuerpo más frías, en promedio más lento, habrá energía pasando del primero al segundo, tendiendo a temperaturas iguales. La eficiencia del intercambio de energía determina calores específicos de los elementos involucrados.
Primera ley de la termodinámica
Cuando un cuerpo se coloca en contacto con un cuerpo relativamente más frío tiene lugar una transformación que conduce a un estado de equilibrio en el que las temperaturas de los dos cuerpos son iguales realzando una transferencia de energía entre el cuerpo claiente al cuerpo frío.
Para explicar este fenómeno, los científicos del siglo dieciocho supusieron que una sustancia, presente en mayores cantidades en el cuerpo más caliente, pasaba al cuerpo más frío.
Esta sustancia hipotética, llamada calórica, se pensó como un fluido capaz de moverse a través de la masa llamada impropiamente materia. El primer principio de la termodinámica identifica el calor como una forma de energía que puede convertirse en trabajo mecánico y almacenarse, pero que no es una sustancia material.
Se demostró experimentalmente que el calor, originalmente medido en calorías y el trabajo o la energía, medidos en julios, son en realidad equivalentes. Cada caloría es equivalente a aproximadamente 4,186 julios.
El primer principio es, por lo tanto, un principio de conservación de la energía. En cada máquina térmica o un motor térmico, una cierta cantidad de energía se transforma en trabajo: no puede haber ninguna máquina que produzca trabajo sin consumir energía. Una máquina similar, si existiera, de hecho, produciría el llamado movimiento perpetuo de la primera especie.
El primer principio se establece tradicionalmente como:
La variación de la energía interna de un sistema termodinámico cerrado es igual a la diferencia entre el calor suministrado al sistema y el trabajo realizado por el sistema en el ambiente.
La formulación matemática correspondiente se expresa como:
ΔU = Q - L
donde U es la energía interna del sistema, Q el calor suministrado al sistema y L el trabajo realizado por el sistema.
Energía interna significa la suma de las energías cinéticas y la interacción de las diferentes partículas de un sistema. Q es el calor intercambiado entre el ambiente y el sistema (positivo si se suministra al sistema, negativo si es transferido por el sistema) y L el trabajo realizado (positivo si el sistema lo realiza en el ambiente, negativo si lo hace el ambiente en el sistema).
La convención de signos está influenciada por el vínculo con el estudio de los motores térmicos, en los que el calor se transforma (parcialmente) en trabajo.
Las formulaciones alternativas y equivalentes del primer principio son:
- Para un sistema abierto, qw =? E donde? E se destina a la variación de la energía total, que no es más que la suma de los cambios en la energía interna, la energía cinética y la energía potencial que posee ese sistema es. Vemos que para un sistema cerrado las variaciones de energía cinética y potencial son nulas y, por lo tanto, nos referimos a la relación anterior.
- Para un ciclo termodinámico, q = w, ya que la variación total de energía es cero, el sistema que tiene, al final de cada ciclo, de nuevo en las mismas condiciones de partida.
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
Está estrechamente relacionado con este último y, en algunos casos, se considera una consecuencia de este último. Puede afirmarse diciendo que "es imposible alcanzar el cero absoluto con un número finito de transformaciones" y proporciona una definición precisa de la magnitud llamada entropía.
También establece que la entropía para un sólido perfectamente cristalino, a una temperatura de 0 kelvin es igual a 0. Es fácil explicar esta afirmación a través de la termodinámica molecular: un sólido perfectamente cristalino está compuesto de un solo complejo (Todos ellos son maneras de organizar las moléculas, si las moléculas son todos iguales, independientemente de la forma en que están dispuestos, macroscópicamente el cristal es siempre la misma) y, siendo a 0 kelvin, la energía de vibración, de traslación y de rotación de las partículas que lo componen es nada, por lo tanto, de la ley de Boltzmann S = k ln (1) = 0 donde 1 son los complejos (en este caso solo uno).
Historia de la termodinámica
Fue Sadi Carnot, en 1824, el primero en demostrar que se puede obtener trabajo del intercambio de calor entre dos fuentes a diferentes temperaturas. A través del teorema de Carnot y la máquina ideal de Carnot (basada en el ciclo de Carnot) cuantificó este trabajo e introdujo el concepto de eficiencia termodinámica.
En 1848, Lord Kelvin, utilizando la máquina de Carnot, introdujo el concepto de temperatura termodinámica efectiva y es responsable de una declaración del segundo principio de la termodinámica.
En 1850 James Prescott Joule demostró la igualdad de las dos formas de energía (entonces se creía que el líquido calórico todavía existía).
Habiendo llegado a esto, se planteó el problema de que, si fuera posible obtener el calor total del trabajo, no hubiera sido posible obtener el inverso. Este resultado también aterrizó Clausius que en 1855 presenta su desigualdad para reconocer procesos reversibles de las irreversible y estado de la función de la entropía.
En 1876 Willard Gibbs publicó el tratado "Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas" (Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas) que mostraba cómo un proceso termodinámico podría representarse gráficamente y cómo estudiar de esta manera la energía, la entropía, el volumen, la temperatura y la presión podrían preverse la eventual espontaneidad del proceso considerado.
El caso de la termodinámica es emblemático en la historia y en ' la epistemología de la ciencia: es uno de esos casos en los que la práctica ha sido pionero en la teoría misma: la primera está diseñada para la máquina de vapor, a continuación, se sistematizó su funcionamiento teórico a través de sus principios básicos.
¿Qué es la termodinámica química?
La 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.
