TERMODINÁMICA

La Termodinámica es la rama de la Física que trata del estudio de las propiedades materiales de los sistemas macroscópicos y de la interconversión de las distintas formas de energía, en particular de la transformación de calor en trabajo. Los sistemas que son objeto del estudio de la Termodinámica se denominan Sistemas Termodinámicos.

SISTEMA TERMODINÁMICO.

En Física, un sistema es simplemente un cuerpo o conjunto de cuerpos que aislamos, imaginariamente o mediante un esquema, para analizar su comportamiento en determinados fenómenos físicos.

En Termodinámica, un sistema termodinámico es una parte del Universo que se aísla para su estudio. Este <<aislamiento>> se puede llevar a cabo de una manera real, en el campo experimental, o de una manera ideal, cuando se trata de abordar un estudio teórico.

Conviene precisar el concepto de  sistema termodinámico  como una cantidad de materia limitada por una superficie cerrada. Si el sistema es un bloque de cobre, la superficie es simplemente la del bloque. El sistema pudiera ser un gas, o un gas y un líquido, contenido en un cilindro provisto de un pistón móvil.

Los sistemas termodinámicos se clasifican según el grado de aislamiento que presentan con su entorno en:

• Sistema aislado, que es aquel que no intercambia ni materia ni energía con su entorno. Un ejemplo de este clase podría ser un gas encerrado en un recipiente de paredes rígidas lo suficientemente gruesas (paredes adiabáticas) como para considerar que los intercambios de energía calorífica sean despreciables, ya que por hipótesis no puede intercambiar energía en forma de trabajo.

• Sistema cerrado, Es el que puede intercambiar energía pero no materia con el exterior. Multitud de sistemas se pueden englobar en esta clase. El mismo planeta Tierra puede considerarse un sistema cerrado. Una lata de sardinas también podría estar incluida en esta clasificación.

• Sistema abierto, En esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden observarse en la vida cotidiana. Por ejemplo, un vehículo motorizado es un sistema abierto, ya que intercambia materia con el exterior cuando es cargado, o su conductor se introduce en su interior para conducirlo, o es cargado de combustible , o se consideran los gases que emite por su tubo de escape pero, además, intercambia energía con el entorno. Sólo hay que comprobar el calor que desprende el motor y sus inmediaciones o el trabajo que puede efectuar acarreando carga.

ESTADO  TERMODINÁMICO

El estado termodinámico del sistema viene representado por un conjunto de parámetros macroscópicos linealmente independientes (PRESIÓN, volumen, temperatura, etc.). Las magnitudes que sólo son función de los parámetros independientes en el instante considerado, son las funciones de estado.

El estado termodinámico de un sistema es estacionario, cuando sus parámetros permanecen constantes en el tiempo; si no existen fuentes de energía externas, el sistema se encuentra en un estado de  equilibrio termodinámico.

El estado termodinámico de un sistema es transitorio, cuando sus parámetros dependen del tiempo.

PROCESO TERMODINÁMICO

Se denomina proceso al conjunto de infinitos estados intermedios por la que pasa un sistema, cuando cambia de un estado inicial a un estado final. Estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final.

Un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debidos a interacciones con el entorno de trabajo o calor

El trabajo realizado durante el proceso por o en contra del sistema, se puede representar como el área bajo la curva en un diagrama presión vs. volumen

PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES:

Un proceso termodinámico desde un estado inicial i a un estado final f tal que, tanto el sistema como el medio externo pueden reintegrarse desde el estado final f a su estado inicial i, de forma que no se origine ningún cambio exterior al sistema ni a su medio ambiente, se dice que es un proceso reversible. Caso contrario el proceso es irreversible.

El envejecimiento, la erosión, la fotosíntesis, la evaporación son procesos de transformación natural. En rigor, todo lo que ocurre en la naturaleza, son procesos o transformaciones naturales, y una características de todos ellos es que se desarrollan durante un lapso de tiempo (ninguno es instantáneo). En estricto rigor, ninguno de los procesos que tienen lugar en la naturaleza es reversible

Los procesos “reversibles” son idealizaciones “convenientes” para la descripción ordenada y simplificada de procesos que ocurren realmente en la naturaleza. Son aproximaciones y pueden  ser considerados sólo bajo ciertas condiciones.

CICLO TERMODINÁMICO

Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir, que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula.

En un ciclo Termodinámico la ΔU es cero y el trabajo neto realizado es igual al calor neto recibido por el sistema

Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un ciclo ideal en el que todo el calor se convertiría en trabajo mecánico. El científico francés del siglo XIX Sadi Carnot, que concibió un ciclo termodinámico que constituye el ciclo básico de todos los motores térmicos, demostró que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor térmico pierde parte del calor suministrado. El segundo principio de la termodinámica impone un límite superior a la eficiencia de un motor, límite que siempre es menor del 100%. La eficiencia límite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot.

PRIMERA LEY DE LA  TERMODINÁMICA

El Primer Principio de la Termodinámica se refiere a que sólo pueden ocurrir procesos en los que la Energía total del Universo se conserva. La primera ley de la termodinámica establece que, cuando se añade calor Q a un sistema mientras este efectúa un trabajo W, la energía interna U cambia en una cantidad igual a Q – W

La energía interna U del sistema depende únicamente del estado del sistema. En un gas ideal depende solamente de su temperatura.

La variación de la interna ΔU solo depende de los estados final e inicial. Mientras que la transferencia de calor o el trabajo mecánico dependen del tipo de transformación o camino seguido para ir del estado inicial al final.

La primera ley de la termodinámica se aplica a todo proceso de la naturaleza que parte de un estado de equilibrio y termina en otro. Decimos que si un sistema esta en estado de equilibrio cuando podemos describirlo por medio de un grupo apropiado de parámetros constantes del sistema como presión, volumen, temperatura.

La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía se conserva en todos los procesos, pero no  nos dice si un proceso en particular puede ocurrir realmente. Esta información nos la da una generalización enteramente diferente, llamada segunda ley de la termodinámica, y gran parte de los temas de la termodinámica dependen de la segunda ley.

La primera ley de la termodinámica es general y se aplica a sistemas que  involucran líquidos, gases y sólidos, pero es particularmente simple e instructivo aplicar esta ley a sistemas de gases ideales y eso es lo que haremos a continuación.

PROCESOS TERMODINÁMICOS SIMPLES SOBRE GASES IDEALES

Aplicaremos la primera ley de la termodinámica a diferentes procesos simples y cíclicos. Consideraremos cuatro tipos de procesos simples: isobárico, isócoro, isotérmico y adiabático.

Para precisar diremos que un proceso es un conjunto de cambios que llevan a un sistema termodinámico de un estado (P₁, V₁, T₁) a otro estado (P₂, V₂, T₂). Asumiremos  que  durante este proceso el sistema siempre  pasa  por  estados  (P, V, T) de equilibrio (PV = nRT). A este tipo de procesos se les llama cuasiestáticos. También consideramos que el sistema puede regresar del estado (P₂, V₂, T₂) al estado (P₁,V₁, T₁) a través de un conjunto de estados de equilibrio. Decimos que estos procesos son reversibles.

• Proceso Isobárico  (a presión constante)

Si el gas ideal contenido en el recipiente de la figura   recibe calor, la presión sobre el émbolo ejercerá una fuerza sobre éste. En cada instante la fuerza sobre el émbolo será   F = PA. Si se coloca algún peso (como algunos granos de arena) en la parte externa del émbolo  de modo que pueda desplazarse, pero que la presión  se  mantenga constante, entonces,  al desplazarse  el émbolo  una longitud  x, el gas hará sobre el exterior un trabajo.

• Capacidad calorífica molar a presión constante:

Se define como el calor necesario para elevar la temperatura de un mol en un grado centígrado. Para incrementar la temperatura de n moles en ΔT se necesita la cantidad de calor.