Conceptos Básicos de Termodinámica

La termodinámica se ocupa de las ideas de calor y temperatura, así como del intercambio de calor y otras formas de energía. La rama de la ciencia que se conoce como termodinámica está relacionada con el estudio de varios tipos de energía y su interconversión. El comportamiento de estas cantidades se rige por tres leyes principales de la termodinámica, que proporcionan una descripción cuantitativa. La palabra termodinámica fue acuñada por William Thomson en 1749. La siguiente sección se sumerge en algunas de las terminologías termodinámicas más utilizadas.

¿Qué es la Termodinámica?

La termodinámica es un campo de la ciencia que investiga los vínculos entre el calor, el trabajo y la temperatura, así como sus interacciones con la energía, la radiación y las propiedades físicas de la materia. La termodinámica, en su sentido más amplio, está asociada con la transferencia de energía de un lugar a otro y de una forma a otra. 

El calor es un tipo de energía que corresponde a una cantidad específica de trabajo mecánico, que es el concepto clave. Discute cómo la energía térmica se transforma hacia o desde otras formas de energía, así como también cómo este proceso afecta la materia. La energía derivada del calor se conoce como energía térmica. 

El movimiento de partículas microscópicas dentro de un objeto genera calor, y cuanto más rápido se mueven estas partículas, más calor se produce. La termodinámica no se preocupa por la velocidad a la que se producen estas transformaciones de energía. Se basa en el cambio que se produce en los estados inicial y final. También vale la pena señalar que la termodinámica es un campo de estudio macroscópico. Esto significa que se ocupa del sistema a granel en lugar de la estructura molecular de la materia.

Conceptos Básicos de Termodinámica

La termodinámica tiene su propio conjunto de términos relacionados con ella. Una comprensión profunda de las ideas fundamentales asegura una comprensión profunda de los numerosos temas tratados en termodinámica, evitando malentendidos. Los conceptos termodinámicos se tratan a continuación.

Sistema

El sistema se refiere a una parte específica del universo que se está observando. Un sistema termodinámico es una parte de la materia con un límite definido en el que concentramos nuestra atención. La frontera del sistema puede ser real o imaginaria, y puede ser fija o móvil. 

Se dice que las cualidades físicas y las composiciones químicas son homogéneas si son consistentes en todo el sistema. Un sistema, por el contrario, se considera heterogéneo si está formado por partes con propiedades físicas y químicas variadas. Dependiendo de cómo viajen la materia y la energía dentro y fuera de un sistema, se puede dividir en tres categorías. Hay tres tipos diferentes de sistemas.

• Sistema abierto : un sistema abierto es aquel que puede intercambiar materia y energía con su entorno. Como resultado, la masa y la energía pueden transmitirse entre el sistema y su entorno en un sistema abierto. Dado que gana y pierde materia además de energía, el café caliente en un matraz abierto es un ejemplo de un sistema abierto. Un sistema abierto es una turbina de vapor, por ejemplo.
• Sistema cerrado : un sistema cerrado intercambia energía pero no intercambia materia con su entorno. La transmisión de energía tiene lugar a través de la frontera del sistema cerrado, pero no la transferencia de masa. Los sistemas cerrados incluyen refrigeradores y compresión de gas en conjuntos de pistón-cilindro. El café en un matraz de acero inoxidable también es un ejemplo de un sistema cerrado porque la energía, pero no la materia, puede fluir a través de las paredes de acero.
• Sistema aislado : un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar materia o energía con su entorno. No existe tal cosa como un sistema que está completamente aislado. Un sistema aislado, por otro lado, es el que está completamente sellado para evitar la entrada o salida de materia y está aislado térmicamente para evitar el flujo de calor. Se cree que el universo es autónomo. Dado que no puede ganar ni perder energía o materia, el café caliente en un termo tapado con corcho es un ejemplo de un sistema aislado.

Rodeando

La porción restante del universo que no es parte del sistema se conoce como el entorno. El término «alrededor» se refiere a todo lo que está fuera del sistema que tiene un impacto directo en el comportamiento del sistema. En otras palabras, cualquier cosa fuera del sistema está incluida en el entorno. Juntos, el sistema y su entorno forman el universo. 

Las alteraciones en el sistema, por otro lado, no tienen efecto en todo el universo. Como resultado, los alrededores son esa porción del universo restante que puede interactuar con el sistema para todos los propósitos prácticos. En general, el entorno se define como un área de espacio en su entorno más próximo.

Diferentes ramas de la termodinámica

Las siguientes son las cuatro ramas de la termodinámica.

1. Termodinámica clásica : el comportamiento de la materia se estudia utilizando un enfoque macroscópico en la termodinámica clásica. Las personas consideran unidades como la temperatura y la presión, que ayudan en el cálculo de otras propiedades y la predicción de las características de la materia que se somete al proceso.
2. Termodinámica estadística : cada molécula está en el punto de mira de la termodinámica estadística, lo que significa que las propiedades de cada molécula y cómo interactúan se tienen en cuenta para caracterizar el comportamiento de un grupo de moléculas.
3. Termodinámica química : el estudio de cómo el trabajo y el calor interactúan en las reacciones químicas y las transiciones de estado se conoce como termodinámica química.
4. Termodinámica del equilibrio : la termodinámica del equilibrio es el estudio de las transiciones de energía y materia a medida que se acercan al equilibrio.

Propiedades termodinámicas

La termodinámica se ocupa de entidades químicas masivas como átomos o moléculas. Las propiedades macroscópicas de un sistema son aquellas que se originan a partir del comportamiento general de la materia. Las propiedades termodinámicas se definen como características del sistema que se pueden utilizar para especificar el estado del sistema. Las propiedades termodinámicas se clasifican en dos categorías, como se muestra a continuación.

1. Propiedad extensiva : las propiedades extensivas son propiedades del sistema cuyo valor depende de la cantidad o el tamaño del material presente en el sistema. El valor de las características extensivas depende de la masa del sistema. La energía interna, la entropía, la energía libre y la entalpía son solo algunas de las muchas propiedades.
2. Propiedad intensiva: las propiedades intensivas son propiedades del sistema cuyo valor es independiente de la cantidad o el tamaño de la sustancia presente en el sistema. Las propiedades de una sustancia intensiva son aquellas que son independientes de la cantidad de sustancia presente. La presión de vapor, la presión, la viscosidad, la tensión superficial y la temperatura son solo algunas de las muchas propiedades intensivas.

Equilibrio termodinámico

Todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos en cualquier estado dado. Como resultado, incluso si cambia el valor de una propiedad, el estado del sistema cambia. Mientras un sistema está en equilibrio, el valor de sus propiedades no cambia cuando está aislado de su entorno.

• Equilibrio térmico : se dice que un sistema está en equilibrio térmico cuando la temperatura es la misma en todo el sistema.
• Equilibrio mecánico : se dice que un sistema está en equilibrio mecánico cuando no hay cambio de presión en ningún punto del sistema.
• Equilibrio químico : un equilibrio químico se define como un sistema en el que la composición química de un sistema no cambia con el tiempo.
• Equilibrio de fase : cuando la masa de cada fase de un sistema de dos fases alcanza un nivel de equilibrio, se denomina equilibrio de fase.

Si un sistema termodinámico está en equilibrio químico, mecánico y térmico, y los parámetros relevantes dejan de variar con el tiempo, se dice que está en equilibrio termodinámico.

Proceso Termodinámico

Un proceso puede alterar el estado de un sistema termodinámico. Un proceso, en otras palabras, especifica el camino o procedimiento por el cual un sistema pasa de un estado a otro. El proceso puede ir acompañado de un intercambio de materia y energía entre el sistema y el entorno. 

Cuando hay un cambio energético dentro de un sistema que está relacionado con cambios en la presión, el volumen y la energía interna, se le llama proceso termodinámico .

Algunas formas típicas de procesos termodinámicos tienen su propio conjunto de características, que se enumeran a continuación.

1. Proceso isotérmico. Proceso en el que no hay cambio de temperatura, es decir, la temperatura del sistema permanece constante. El calor se suministra o se extrae del sistema en un sistema de este tipo.
2. Proceso adiabático : cuando un sistema no intercambia calor con su entorno, no sale ni entra calor del sistema. No hay transmisión de calor dentro o fuera del sistema durante este proceso. La temperatura del sistema cambia constantemente en tal proceso. Los sistemas en los que se desarrollan dichas actividades están térmicamente aislados del resto del entorno.
3. Proceso isobárico : un proceso en el que la presión del sistema permanece constante, es decir, no se produce ningún cambio de presión.
4. Proceso isocórico : un proceso en el que el volumen del sistema permanece constante, es decir, no hay cambios en el volumen y el sistema no realiza trabajo.
5. Proceso reversible: un proceso reversible es aquel en el que la dirección del flujo se puede cambiar en cualquier punto del proceso haciendo un ligero cambio en una variable como la temperatura o la presión. A lo largo de este proceso, el sistema mantiene en todo momento un estado virtual de equilibrio con el entorno.
6. Proceso irreversible: un proceso que no se puede revertir se conoce como irreversible. La fuerza opuesta no es lo mismo que la fuerza impulsora. Los procesos naturales son irreversibles.
7. Proceso cíclico: un proceso cíclico es aquel en el que un sistema pasa por una secuencia de modificaciones antes de volver a su condición inicial.

Leyes de la Termodinámica

Las leyes termodinámicas especifican las cualidades físicas esenciales que caracterizan los sistemas termodinámicos en equilibrio térmico, como la energía, la temperatura y la entropía. Las leyes de la termodinámica describen cómo reaccionan estas cantidades en diversas situaciones.

La termodinámica se rige por cuatro leyes, que se describen a continuación.

• Ley cero de la termodinámica: de acuerdo con la ley cero de la termodinámica, si dos cuerpos están separados en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, entonces los dos primeros cuerpos también están en equilibrio térmico entre sí. Esto indica que si el sistema A está en equilibrio térmico con el sistema B, y el sistema C está igualmente en equilibrio térmico con el sistema B, entonces ambos sistemas A y C están en equilibrio térmico.
• Primera ley de la termodinámica: la energía no puede generarse ni destruirse, según la primera ley de la termodinámica, pero puede convertirse de una forma a otra. El calor, la energía interna y el trabajo se abordan en la primera ley de la termodinámica. La energía no se genera ni se destruye, según la primera ley de la termodinámica, pero se puede convertir de una forma a otra. De acuerdo con esta ley, parte del calor proporcionado al sistema se utiliza para cambiar la energía interna, mientras que el resto se utiliza para realizar trabajo.

Matemáticamente, se puede expresar como

ΔQ=ΔU+W

dónde,

• El calor cedido o perdido se denota por ΔQ.
• El cambio en la energía interna se denota por ΔU.
• W representa el trabajo realizado.

La ecuación anterior se puede escribir alternativamente de la siguiente manera:

ΔU=ΔQ−W

Como resultado de la ecuación anterior, podemos deducir que la cantidad (ΔQ – W) no se ve afectada por el camino tomado para cambiar el estado. Además, cuando se aplica calor a un sistema, la energía interna tiende a aumentar y viceversa.

• Segunda ley de la termodinámica: en un sistema aislado, la segunda ley de la termodinámica afirma que la entropía siempre aumenta. Cualquier sistema aislado progresa espontáneamente hacia el equilibrio térmico o el estado de máxima entropía. La entropía del universo siempre está aumentando y nunca disminuyendo.
• Tercera ley de la termodinámica: la tercera ley de la termodinámica establece que cuando la temperatura se acerca al cero absoluto, la entropía de un sistema se acerca a un valor constante. A la temperatura del cero absoluto, la entropía de un sólido cristalino puro es cero. Si el cristal perfecto tiene solo un estado con energía mínima, esta afirmación es cierta.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Una taza de té sobre una mesa es un sistema abierto, cerrado o aislado?

Responder:

Dado que gana y pierde materia además de energía, una taza de té sobre una mesa es un sistema abierto.

Pregunta 2: ¿Cuáles son las diferencias entre los procesos espontáneos y no espontáneos?

Responder:

Un proceso espontáneo es irreversible y solo puede ser revertido por una fuerza externa.

Los procesos no espontáneos son aquellos que no ocurren por sí solos bajo condiciones específicas y solo ocurren cuando se proporciona una fuerza externa continuamente.

Pregunta 3: ¿Qué papel juega la termodinámica en nuestra vida diaria?

Responder:

La termodinámica es una rama particularmente esencial de la física y la química, ya que se ocupa del estudio de la energía y su conversión, así como de las diversas formas y capacidades de esta energía para realizar trabajo. Nos ayuda a comprender los sistemas de calefacción y refrigeración en nuestros hogares y edificios en nuestra vida diaria. También ayuda en la investigación de los motores del vehículo. Las reglas de la termodinámica describen el proceso por el cual la energía se convierte en calor, que posteriormente se transporta y se convierte en trabajo productivo.

Pregunta 4: ¿Cuál de las propiedades entre la presión y la fuerza es una propiedad intensiva?

Responder: 

Las propiedades intensivas son propiedades del sistema cuyo valor es independiente de la cantidad o tamaño de la sustancia presente en el sistema. Dado que la presión es la fuerza ejercida por unidad de área, es una propiedad intensa.

Pregunta 5: ¿Cuál de las propiedades entre la capacidad calorífica y el calor específico es extensiva y cuál es intensiva?

Responder:

La capacidad calorífica es una propiedad amplia que está determinada por la masa de la sustancia. Sin embargo, dado que el calor específico es una capacidad calorífica por unidad de masa, es independiente de la cantidad de sustancia. Como resultado, el calor específico es una propiedad intensiva.