Instituto de Enseanza Superior ConcepcinFundamento de Fsica y ElectrnicaProfesor: Sangenis, PabloAlumno: Alvarez, Marcelo RodolfoTermodinmicaLa termodinmica puede definirse como el tema de la Fsica que estudia los procesos en los que se transfiere energa como calor y como trabajo.Sabemos que se efecta trabajo cuando la energa se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecnicos. El calor es una transferencia de energa de un cuerpo a un segundo cuerpo que est a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo.El calor se define como una transferencia de energa debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energa que no se debe a una diferencia de temperatura.Al hablar de termodinamica, con frecuencia se usa el trmino "sistema". Por sistema se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar. El resto, lo dems en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente". Se consideran varios tipos de sistemas. En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas abiertos donde s puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energa en cualquiera de sus formas por sus fronteras.Previo a profundizar en este tema de la termodinamica, es imprescindible establecer una clara distincin entre tres conceptos bsicos: temperatura, calor y energa interna. Como ejemplo ilustrativo, es conveniente recurrir a la teora cintica de los gases, en que stos sabemos estn constituidos por numerossimas molculas en permanente choque entre s.La temperatura es una medida de la energa cintica media de las molculas individuales. El calor es una transferencia de energa, como energa trmica, de un objeto a otro debida a una diferencia de temperatura.La energa interna (o trmica) es la energa total de todas las molculas del objeto, o sea incluye energa cintica de traslacin, rotacin y vibracin de las molculas, energa potencial en molculas y energa potencial entre molculas. Para mayor claridad, imaginemos dos barras calientes de un mismo material de igual masa y temperatura. Entre las dos tienen el doble de la energa interna respecto de una sola barra. Notemos que el flujo de calor entre dos objetos depende de sus temperaturas y no de cunta energa trmica o interna tiene cada uno. El flujo de calor es siempre desde el objeto a mayor temperatura hacia el objeto a menor temperatura.Primera Ley de la TermodinamicaEsta ley se expresa como: Eint= Q - WCambio en la energa interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W)Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuacin se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema.Para entender esta ley, es til imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un mbolo mvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energa interna del gas estar dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el mbolo contra la presin atmosfrica.Segunda Ley de la TermodinamicaLa primera ley nos dice que la energa se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energa, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno fro, el calor pasa del caliente al fro y nunca al revs. Si pensamos que puede ser al revs, se seguira conservando la energa y se cumplira la primera ley.En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formul la segunda ley de la termodinamica, que tiene dos enunciados equivalentes:Enunciado de Kelvin - Planck: Es imposible construir una mquina trmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorcin de energa desde un depsito y la realizacin de una cantidad igual de trabajo.Enunciado de Clausius: Es imposible construir una mquina cclica cuyo nico efecto sea la transferencia continua de energa de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energa por trabajo.Tercera Ley de la Termodinamica y Ley Cero de la TermodinmicaAdems de la primera y segunda leyes de la termodinmica, existen la ley cero y la tercera ley de la termodinmica.Ley Cero de la Termodinmica (de Equilibrio):"Si dos objetos A y B estn por separado en equilibrio trmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B estn en equilibrio trmico entre s".Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio trmico entre s estn a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio trmico entre s.Tercera Ley de la TermodinmicaLa tercera ley tiene varios enunciados equivalentes:"No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos"Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas ms bajas. El cero absoluto es la temperatura terica ms baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partculas. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de - 273,16C. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinmica asegura que es inalcanzable."La entropa de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinmico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero"."La primera y la segunda ley de la termodinmica se pueden aplicar hasta el lmite del cero absoluto, siempre y cuando en este lmite las variaciones de entropa sean nulas para todo proceso reversible".

La Teora CunticaLa Teora Cuntica es uno de los pilares fundamentales de la Fsica actual. Se trata de una teora que rene un formalismo matemtico y conceptual, y recoge un conjunto de nuevas ideas introducidas a lo largo del primer tercio del siglo XX, para dar explicacin a procesos cuya comprensin se hallaba en conflicto con las concepciones fsicas vigentes.

Las ideas que sustentan la Teora Cuntica surgieron, pues, como alternativa al tratar de explicar el comportamiento de sistemas en los que el aparato conceptual de la Fsica Clsica se mostraba insuficiente. Es decir, una serie de observaciones empricas cuya explicacin no era abordable a travs de los mtodos existentes, propici la aparicin de las nuevas ideas.

Hay que destacar el fuerte enfrentamiento que surgi entre las ideas de la Fsica Cuntica, y aqullas vlidas hasta entonces, digamos de la Fsica Clsica. Lo cual se agudiza an ms si se tiene en cuenta el notable xito experimental que stas haban mostrado a lo largo del siglo XIX, apoyndose bsicamente en lamecnica de Newton y la teora electromagnticade Maxwell.

El origen de la teora cunticaQu pretenda explicar, de manera tan poco afortunada, la Ley de Rayleigh-Jeans (1899)? Un fenmeno fsico denominado radiacin del cuerpo negro, es decir, el proceso que describe la interaccin entre la materia y la radiacin, el modo en que la materia intercambia energa, emitindola o absorbindola, con una fuente de radiacin. Pero adems de la Ley de Rayleigh-Jeans haba otra ley, la Ley de Wien (1893), que pretenda tambin explicar el mismo fenmeno.

La Ley de Wien daba una explicacin experimental correcta si la frecuencia de la radiacin es alta, pero fallaba para frecuencias bajas. Por su parte, la Ley de Rayleigh-Jeans daba una explicacin experimental correcta si la frecuencia de la radiacin es baja, pero fallaba para Frecuencias altas.La frecuencia es una de las caractersticas que definen la radiacin, y en general cualquier fenmeno en el que intervengan ondas. Puede interpretarse la frecuencia como el nmero de oscilaciones por unidad de tiempo. Toda la gama de posibles frecuencias para una radiacin en la Naturaleza se hallan contenidas en el espectro electromagntico, el cual, segn el valor de la frecuencia elegida determina un tipo u otro tipo de radiacin.En 1900, Max Planck puso la primera piedra del edificio de la Teora Cuntica. Postul una ley (la Ley de Planck) que explicaba de manera unificada la radiacin del cuerpo negro, a travs de todo el espectro de frecuencias.La hiptesis de PlanckQu aportaba la ley de Planck que no se hallase ya implcito en las leyes de Wien y de Rayleigh-Jeans? Un ingrediente tan importante como novedoso. Tanto que es el responsable de la primera gran crisis provocada por la Teora Cuntica sobre el marco conceptual de la Fsica Clsica. sta supona que el intercambio de energa entre la radiacin y la materia ocurra a travs de un proceso continuo, es decir, una radiacin de frecuencia f poda ceder cualquier cantidad de energa al ser absorbida por la materia.

Lo que postul Planck al introducir su ley es que la nica manera de obtener una frmula experimentalmente correcta exiga la novedosa y atrevida suposicin de que dicho intercambio de energa deba suceder de una manera discontinua, es decir, a travs de la emisin y absorcin de cantidades discretas de energa, que hoy denominamos quantums de radiacin. La cantidad de energa E propia de un quantum de radiacin de frecuencia f se obtiene mediante la relacin de Planck: E = h x f, siendo h la constante universal de Planck= 662 x 10 (expo-34) (unidades de accin).Puede entenderse la relacin de Planck diciendo que cualquier radiacin de frecuencia f se comporta como una corriente de partculas, los quantums, cada una de ellas transportando una energa E = h x f, que pueden ser emitidas o absorbidas por la materia.

La hiptesis de Planck otorga un carcter corpuscular, material, a un fenmeno tradicionalmente ondulatorio, como la radiacin. Pero lo que ser ms importante, supone el paso de una concepcin continuista de la Naturaleza a una discontinuista, que se pone especialmente de manifiesto en el estudio de la estructura de los tomos, en los que los electrones slo pueden tener un conjunto discreto y discontinuo de valores de energa.

La hiptesis de Planck qued confirmada experimentalmente, no slo en el proceso de radiacin del cuerpo negro, a raz de cuya explicacin surgi, sino tambin en las explicaciones del efecto fotoelctrico, debida a Einstein (1905), y del efecto Compton, debida a Arthur Compton (1923). Marco de aplicacin de la teora cunticaEl marco de aplicacin de la Teora Cuntica se limita, casi exclusivamente, a los niveles atmico, subatmico y nuclear, donde resulta totalmente imprescindible. Pero tambin lo es en otros mbitos, como la electrnica (en el diseo de transistores, microprocesadores y todo tipo de componentes electrnicos), en la fsica de nuevos materiales, (semiconductores y superconductores), en la fsica de altas energas, en el diseo de instrumentacin mdica (lseres, tomgrafos, etc.), en la criptografa y la computacin cunticas, y en la Cosmologa terica del Universo temprano. De manera que la Teora Cuntica se extiende con xito a contextos muy diferentes, lo que refuerza su validez.Pero, por qu falla la teora clsica en su intento de explicar los fenmenos del micromundo? No se trata al fin y al cabo de una simple diferencia de escalas entre lo grande y lo pequeo, relativa al tamao de los sistemas? La respuesta es negativa. Pensemos que no siempre resulta posible modelar un mismo sistema a diferentes escalas para estudiar sus propiedades.Para ver que la variacin de escalas es un proceso con ciertas limitaciones intrnsecas, supongamos que queremos realizar estudios hidrodinmicos relativos al movimiento de corrientes marinas. En determinadas condiciones, podramos realizar un modelo a escala lo suficientemente completo, que no dejase fuera factores esenciales del fenmeno. A efectos prcticos una reduccin de escala puede resultar lo suficientemente descriptiva.Pero si reducimos la escala de manera reiterada pasaremos sucesivamente por situaciones que se correspondern en menor medida con el caso real. Hasta llegar finalmente a la propia esencia de la materia sometida a estudio, la molcula de agua, que obviamente no admite un tratamiento hidrodinmico, y habremos de acudir a otro tipo de teora, una teora de tipo molecular. Es decir, en las sucesivas reducciones de escala se han ido perdiendo efectos y procesos generados por el aglutinamiento de las molculas.De manera similar, puede pensarse que una de las razones por las que la Fsica Clsica no es aplicable a los fenmenos atmicos, es que hemos reducido la escala hasta llegar a un mbito de la realidad demasiado esencial y se hace necesario, al igual que en el ejemplo anterior, un cambio de teora. Y de hecho, as sucede: la Teora Cuntica estudia los aspectos ltimos de la substancia, los constituyentes ms esenciales de la materia (las denominadas partculas elementales) y la propia naturaleza de la radiacin.

Cuando entra en juego la Teora CunticaDebemos asumir, pues, el carcter absoluto de la pequeez de los sistemas a los que se aplica la Teora Cuntica. Es decir, la cualidad pequeo o cuntico deja de ser relativa al tamao del sistema, y adquiere un carcter absoluto. Y qu nos indica si un sistema debe ser considerado pequeo, y estudiado por medio de la Teora Cuntica? Hay una regla, un patrn de medida que se encarga de esto, pero no se trata de una regla calibrada en unidades de longitud, sino en unidades de otra magnitud fsica importante denominada accin.La accin es una magnitud fsica, al igual que lo son la longitud, el tiempo, la velocidad, la energa, la temperatura, la potencia, la corriente elctrica, la fuerza, etc., aunque menos conocida. Y al igual que la temperatura indica la cualidad de fro o caliente del sistema, y la velocidad su cualidad de reposo o movimiento, la accin indica la cualidad de pequeo (cuntico) o grande (clsico) del sistema. Como la energa, o una longitud, todo sistema posee tambin una accin que lo caracteriza.Esta accin caracterstica, A, se obtiene de la siguiente multiplicacin de magnitudes: A = P x L, donde P representa la cantidad de movimientocaracterstica del sistema (el producto de su masa por su velocidad) y L su longitud caracterstica. La unidad de esa regla que mencionbamos, con la que medimos la accin de los sistemas, es la constante de Planck, h. Si el valor de la accin caracterstica del sistema es del orden de la constante de Planck Deberemos utilizar necesariamente la Teora Cuntica a la hora estudiarlo.Al contrario, si h es muy pequea comparada con la accin tpica del sistema podremos estudiarlo a travs de los mtodos de la teora clsica. Es decir: Si A es del orden de h debemos estudiar el sistema segn la Teora Cuntica. Si A es mucho mayor que h, podemos estudiarlo por medio de la Fsica Clsica.