FÍSICA

TERMODINÁMICA

La palabra proviene de dos palabras griegas: thermé, que significa "calor", y dynam is, cuyo sentido original es "fuerza". En física, sin embargo, dinámica se opone a estática, y se refiere a "cambios" por oposición a "equilibrio". la termodinámica es la ciencia del calor. Etimológicamente, pues, "termodinámica" sería la ciencia que estudia los cambios en los sistemas físicos en los que interviene el calor.

La termodinámica es la parte de la física que estudia los estados de los sistemas materiales macroscópicos, y los cambios que pueden darse entre esos estados, en particular, en lo que respecta a temperatura, calor y energía.

HISTORIA

Todas las personas poseemos un sentido natural para calor y temperatura. Sin embargo, el desarrollo histórico de la termodinámica nos muestra lo difícil que es entender estos conceptos en términos físicos y matemáticos.

A Daniel Fahrenheit \(\left(1\ 686-1\ 736)\right\) se le puede considerar el primero en cuantificar el concepto de temperatura por sus trabajos con termómetros cerrados de líquidos. Los griegos ya usaban la expansión de gases al ser calentados para poner en movimiento autómatas y jugetes.

Galileo Galilei \(\left(1\ 564-1\ 642)\right\), Evangelista Torricelli (\(1\ 608-1\ 647\), conocido por el barómetro y por darle nombre a la unidad de presión Torr) y Otto von Guericke \(\left(1\ 602-1\ 686)\right\) se esforzaron por usar la expansión de los gases para construir termómetros. La molesta influencia de las variaciones en la presión atmosférica, así como pequeños errores de construcción hicieron imposible la reproducción de sus mediciones.

Fahrenheit fue el primero en superar estas dificultades y en introducir una escala de temperatura razonable. Utilizó como punto cero la mezcla más fría que pudo producir \(\left(0^{\circ} F= -17.8^{\circ}C)\right\) y definió como \(100^{\circ}F\) la temperatura normal de la sangre \(\left(= 37.8^{\circ}C)\right\). Desde entonces se utilizaron muchos otros puntos fijos, como el punto de fusión del hielo y el de ebullición del agua, el punto de fusión de la mantequilla o del aceite de anís, así como la temperatura más baja observada en Florencia.

De esta forma, es natural que no se haya desarrollado una convención general o escala absoluta. Esto también debido a la gran diferencia entre los métodos de medición entonces usados. Por ejemplo, el líquido elegido. John Dalton \(\left(1\ 766-1\ 844)\right\) reconoció que de la Ley de Gay- Lussac se deriva la existencia de un punto cero absoluto. Sin embargo, fue Lord Kelvin quien logró eliminar la arbitrariedad ya entonces generalizada.

Joseph Black \(\left(1\ 728-1\ 793)\right\) aclaró la diferencia conceptual entre temperatura \(\theta\) y cantidad de calor \(Q\). Definió en \(1\ 760\) a la caloría como la cantidad de calor que necesita \(1g\) de agua para aumentar su temperatura en \(1^{\circ}C\).

También introdujo los conceptos de calor específico y de calor latente. Desde entonces, y hasta aproximadamente \(1\ 850\), el calor fue visto como un tipo de sustancia.

El termómetro.

A principios del Siglo XVII, varios científicos se propusieron conseguir una medida cuantitativa de lo "caliente" o "frío" que estaba un cuerpo. Uno de los primeros aparatos diseñados con este objetivo. Algunos autores prefieren por eso hablar de “termología” (ciencia del calor), que englobaría termoestática y termodinámica, análogamente a la división de la mecánica en dinámica y estática fue el "termoscopio" de Galileo. El termómetro que hoy conocemos, de alcohol metido en un tubo sellado, fue inventado en \(1\ 640\) por el gran duque Fernando II de Toscana. Se basaba en la observación de que el alcohol se dilata al calentarse. Al meter el alcohol en un tubo fino puede observarse bien esta dilatación y tomar su longitud como medida de lo caliente que está. A esta longitud se le puede asociar un número: la temperatura.

Principio cero de la termodinámica

Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada temperatura empírica \(\theta\), que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado. Tiene tremenda importancia experimental «pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema» pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica. El principio cero dice que la temperatura tiene sentido.

Este principio fundamental, aún siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibiese el nombre de principio cero:

CONCEPTOS FUNDAMENTALES:

1 Sistemas: Es una porción de materia bien definida y que puede considerarse limitada por una superficie cerrada real o imaginaria.

2 Equilibrio termodinámico de un sistema: También llamado estado de un sistema, está determinado por los valores de la presión, volumen, temperatura, que un sistema puede tener, cuando éste está en equilibrio mecánico, térmico o químico.

3 Transformación: También llamado proceso de un sistema, es todo cambio de estado, es decir, es todo cambio en los valores de las variables que lo determinan.

4 Estado de equilibrio: de un sistema se da cuando las variables macroscópicas presión \(p\), volumen \(V\) y temperatura \(T\) , no cambian. El estado de equilibrio es dinámico en el sentido de que los constituyentes del sistema se mueven continuamente.

5 Ecuación de Estado: relación que existe entre las variables \(p\), \(V\) y \(T\). La ecuación de estado más sencilla es la de un gas ideal \(p\ V\ =\ n\ R\ T\) , donde \(n\) representa el número de moles, y \(R\) la constante de los gases \(R\ =\ 0,082\ atm\ l/(K\ mol)\ =\ 8,3143\ J/(K\ mol)\)

6 Energía interna, \(E_{int}\): energía interna del sistema es la suma de las energías de todas sus partículas. En un gas ideal las moléculas solamente tienen energía cinética, los choques entre las moléculas se suponen perfectamente elásticos, la energía interna solamente depende de la temperatura.

7 Sistema abierto: es cuando existe un intercambio de masa y de energía con los alrededores; es por ejemplo, un coche. Le echamos combustible y él desprende diferentes gases y calor.

8 Sistema cerrado: es cuando no existe un intercambio de masa con el medio circundante, sólo se puede dar un intercambio de energía; un reloj de cuerda, no introducimos ni sacamos materia de él. Solo precisa un aporte de energía que emplea para medir el tiempo.

9 Sistema aislado: Es cuando no existe el intercambio ni de masa y energía con los alrededores; ¿Cómo encontrarlo si no podemos interactuar con él? Sin embargo un termo lleno de comida caliente es una aproximación, ya que el envase no permite el intercambio de materia e intenta impedir que la energía (calor) salga de él. El universo es un sistema aislado, ya que la variación de energía es cero \(\Delta E \ = \ 0\).

10 Entropía: Trata de explicar la idea de que todo tiende al desorden. Es importante señalar que la entropía no está definida como una cantidad absoluta \(S\) (símbolo de la entropía), sino lo que se puede medir es la diferencia entre la entropía inicial de un sistema \(S_i\) y la entropía final del mismo \(S_f\). No tiene sentido hablar de entropía sino en términos de un cambio en las condiciones de un sistema. En el siguiente video se muestra una explicación bastante acertada de la termodinámica y la entropía: