Termodinámica: definición, leyes, equilibrio, problemas de muestra

La energía transferida de un cuerpo a otro debido a las diferencias de temperatura se conoce como calor. El calor se puede producir haciendo un trabajo mecánico. Por ejemplo, cuando nos frotamos las manos, se calientan. Es porque el trabajo realizado para mover una mano sobre la otra mano se convierte en calor. Este ritmo calienta nuestras manos. En el siglo 19. Count Rumford y James Prescott Joule estudiaron la relación entre trabajo y ritmo y descubrieron que la misma cantidad de trabajo realizado siempre produce la misma cantidad de calor.

¿Qué es la Termodinámica?

El estudio de la relación entre el trabajo mecánico, el calor y otras formas de energía y la transferencia de energía se conoce como termodinámica. 

Por lo tanto, la termodinámica es el estudio del calor, la temperatura y la conversión del trabajo mecánico en calor y viceversa. En la termodinámica, el enfoque principal está en las cantidades macroscópicas del sistema, como la presión, el volumen y la temperatura. entropía de energía mal, entalpía, etc., que tienen un impacto en el estado interno del sistema. Así, la termodinámica proporciona una descripción macroscópica del sistema.

Sistemas Termodinámicos

Una colección de un número extremadamente grande de átomos o moléculas confinados dentro de ciertos límites de manera que tiene ciertos valores de presión (P), volumen (V) y temperatura (T) se llama sistema termodinámico. 

Todo lo que se encuentra fuera del sistema termodinámico al que se intercambia energía o materia se denomina entorno. Teniendo en cuenta la interacción entre un sistema y su entorno, se dice que un sistema es un sistema abierto si puede intercambiar tanto energía como materia con su entorno, se puede dividir en tres clases 

1. Sistema abierto: Se dice que un sistema es un sistema abierto si puede intercambiar energía y materia con su entorno. Consulte la figura 1(A).
2. Sistema cerrado: se dice que un sistema es un sistema cerrado si solo puede intercambiar energía (no materia) con su entorno. Ver figura 1(B).
3. Sistema aislado:  Se dice que un sistema está aislado si no puede intercambiar energía ni materia con su entorno. Ver figura 1(C).

Variables Termodinámicas 

Un sistema termodinámico se puede describir especificando su presión, volumen, temperatura, energía interna, entalpía y el número de moles. Estos parámetros o variables se denominan variables termodinámicas. 

Así, las variables que se requieren para especificar el estado del sistema termodinámico se denominan variables termodinámicas. La entropía es una medida de la energía presente en un sistema o proceso pero que no está disponible para realizar trabajo. También se define como la medida del desorden en el sistema. La entalpía es la medida de la energía total de un sistema termodinámico.

Tipos de variables termodinámicas

1. Variables intensivas: Las variables que son independientes del tamaño del sistema se denominan variables intensivas. por ejemplo, temperatura, presión y capacidad específica de batido. 
2. Variables extensivas: Las variables que dependen del tamaño o masa del sistema se denominan variables extensivas. por ejemplo, volumen, energía, entropía, capacidad calorífica y entalpía.

Equilibrio termal 

Cuando dos cuerpos que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto, entonces la energía fluye de un cuerpo a una temperatura más alta a un cuerpo a una temperatura más baja. El flujo de energía continúa de un cuerpo a otro para alcanzar la misma temperatura. Cuando ambos cuerpos en contacto tienen la misma temperatura y no hay energía para el cuerpo hasta que ambos cuerpos están entre ellos, entonces estos cuerpos están en equilibrio térmico. Así, se dice que dos cuerpos o sistemas en contacto están en equilibrio térmico si ambos están a la misma temperatura. 

• Se dice que un sistema termodinámico está en equilibrio termodinámico si sus variables como presión, volumen, temperatura, número de partículas, etc. no cambian con el tiempo. 
• Cualquier sistema aislado está en equilibrio termodinámico.

Procesos Termodinámicos

Cualquier proceso en el que las variables termodinámicas de un sistema termodinámico cambian se conoce como proceso termodinámico.

• Proceso cuasi-estático (Cuasi-estático significa casi estático): un proceso en el que el sistema se aleja solo infinitesimalmente del estado de equilibrio se conoce como proceso cuasi-estático. En este proceso, el cambio en la presión o el cambio en el volumen o el cambio en la temperatura de el sistema es muy muy pequeño.
• Proceso isotérmico: Un proceso en el que la presión y el volumen del sistema cambian a temperatura constante se denomina proceso isotérmico. En este caso, P y V cambian pero T constante. es decir, dT (cambio de temperatura) = 0. 
• Proceso adiabático: un proceso en el que la presión, el volumen y la temperatura del sistema cambian, pero no hay intercambio de calor entre el sistema y su entorno, se denomina proceso adiabático. En este caso, P. V y T cambian pero Q = 0. El sistema debe comprimirse o permitir que se expanda repentinamente para que no haya tiempo para el intercambio de calor entre el sistema y su entorno. Dado que estas dos condiciones no se cumplen completamente en la práctica, ningún proceso es perfectamente adiabático.
• Proceso isocórico:  un proceso termodinámico que tiene lugar a volumen constante se denomina proceso isocórico. También se conoce como proceso isovolumétrico. En este caso, dV = 0.
• Proceso isobárico: un proceso termodinámico que tiene lugar a presión constante se denomina proceso isobárico. En este caso, dP = 0.
• Proceso cíclico: Un proceso cíclico consiste en una serie de cambios que devuelven el sistema a su estado inicial.

Problemas de muestra

Problema 1: Definir sistema aislado.

Solución:

Se dice que un sistema está aislado si no puede intercambiar energía ni materia con su entorno.

Problema 2: ¿Qué quiere decir con variables termodinámicas?

Solución: 

Un sistema termodinámico se puede describir especificando su presión, volumen, temperatura, energía interna, entalpía y el número de moles. Estos parámetros o variables se denominan variables termodinámicas. Por lo tanto, las variables que se requieren para especificar el estado del sistema termodinámico se denominan variables termodinámicas. 

Problema 3: ¿Qué quiere decir con el proceso adiabático?

Solución:  

Un proceso en el que la presión, el volumen y la temperatura del sistema cambian, pero no hay intercambio de calor entre el sistema y su entorno se llama proceso adiabático. En este caso, P. V y T cambian pero Q =0.

Problema 4: Definir variables extensivas e intensivas.

Solución: 

Variables intensivas: Las variables que son independientes del tamaño del sistema se denominan variables intensivas. por ejemplo, temperatura, presión y capacidad específica de batido.

Variables extensivas: Las variables que dependen del tamaño o masa del sistema se denominan variables extensivas. por ejemplo, volumen, energía, entropía, capacidad calorífica y entalpía.

Problema 5: ¿Qué quiere decir con proceso cuasi-estático?

Solución: 

Un proceso en el que el sistema se aparta solo infinitesimalmente del estado de equilibrio se conoce como proceso cuasiestático. En este proceso, el cambio de presión, el cambio de volumen o el cambio de temperatura del sistema es muy, muy pequeño.

Problema 6: ¿Se puede hervir el agua sin calentarla?

Solución: 

Sí, el agua se puede hervir dentro de un recipiente aislado cerrado aumentando la presión sobre la superficie del agua.