CONCEPTOS FUNDAMENTALES

OBJETO DE LA TERMODINÁMICALa termodinámica es una ciencia experimental basada en un pequeño número de principios que son generalizaciones tomadas de la experiencia. Se refiere sólo a propiedades macroscópicas (macro-escala) de la materia y no hace hipótesis sobre su estructura microscópica (o de pequeña escala).

SISTEMAS TERMODINÁMICOSSe refiere a cierta porción del universo incluida dentro de una superficie cerrada llamada límite del sistema, este límite puede ser real o imaginario y no está necesariamente determinado ni en su forma ni en su volumen. Un sistema y su medio exterior (entorno) conjuntamente, se dice que forman un universo. Se distinguen tres tipos de sistemas.

a) Sistemas aisladosNo interactúan de ninguna forma con su entorno.

b) Sistemas cerradosSólo intercambian energía con su entorno pero materia.

c) Sistemas abiertosPueden intercambiar energía y materia con su entorno.

EQUILIBRIO TERMODINÁMICOCuando un sistema arbitrario está aislado y abandonado a sí mismo, sus propiedades, en general, variarán con el tiempo.

Si inicialmente existen diferencias de temperatura entre partes del sistema, después de un tiempo suficientemente largo la temperatura será la misma en todos los puntos y entonces se dice que el sistema se encuentra en equilibrio térmico.

Si existen variaciones de presión o de tensión elástica dentro del sistema, partes de él se desplazarán, se expansionarán o se contraerán. Eventualmente, estos movimientos, expansiones o contracciones, cesarán y, cuando esto ocurra, diremos que el sistema está en equilibrio mecánico.

Si el sistema contiene sustancias que pueden reaccionar químicamente. Después de un tiempo suficientemente largo habrán tenido lugar todas las reacciones químicas posibles y el sistema se dice que está en equilibrio químico.

Finalmente, un sistema que está en equilibrio térmico, mecánico y químico se dice que está en equilibrio termodinámico.

TEMPERATURA Y LEY CERO DE LA TERMODINÁMICAEl concepto de temperatura, como el de fuerza, tiene su origen en las percepciones sensoriales del hombre. Se establece un criterio de igualdad de temperatura para una medición objetiva. La experiencia demuestra el siguiente enunciado que se conoce como la ley cero de la termodinámica.

“Cuando dos cuerpos cualesquiera están por separado en equilibrio térmico con un tercero, también lo están entre sí.”

Aunque un sistema alcance con el tiempo el equilibrio térmico con su entorno, si éste se mantiene constante, la velocidad a la que se alcanza el equilibrio depende de la naturaleza de los límites del sistema.

Una superficie límite adiabática es aquella en la cual el flujo de calor a su través es despreciable, aun cuando exista una diferencia de temperatura entre sus caras opuestas.

Una superficie límite diatérmica está compuesta por un buen material conductor térmico.

PROCESOSCuando alguna de las propiedades del sistema cambia, el estado del sistema se modifica y se dice que experimenta un proceso o transformación.

Si el proceso se realiza de tal modo que en cada instante el sistema difiere sólo infinitesimalmente de un estado de equilibrio, el proceso se denomina cuasiestático. Un proceso cuasiestático se aproxima, por tanto, a una sucesión de estados de equilibrio. Si existen diferencias finitas con el equilibrio el proceso es no cuasiestático. Todos los procesos reales son no cuasiestáticos, sin embargo el concepto es útil en termodinámica.

Muchos procesos se caracterizan por el hecho de que alguna propiedad de un sistema permanece constante durante el proceso.

a) Proceso isostérico o isócoroEl volumen permanece constante

b) Proceso isobáricoLa presión permanece constante

c) Proceso isotérmicoLa temperatura permanece constante

Un proceso reversible puede definirse como aquél cuyo sentido pueda invertirse por un cambio infinitesimal en alguna propiedad del sistema.