Qu es la termodinmica?La termodinmica estudia el calor y trabajo, y la energa y los cambios que provocan en los estados de los sistemas. En otras palabras estudia las relaciones entre propiedades macroscpicas de los sistemas.Originalmente la termodinmica surgi para entender de manera terica el funcionamiento de las mquinas trmicas como las de vapor para hacerlas funcionar mejor, aunque luego ha ido evolucionando hasta convertirse en algo mucho ms amplio de lo que su principal padre, el francs Nicolas Lonard Sadi Carnot (a la derecha) hubiera podido soar. Mientras que al principio lo normal era aplicarla a un motor o una caldera, hoy en da lo hacemos con una tormenta, el planeta Tierra, tu cuerpo, un nico tomo o el Universo entero como sistema.

Sin embargo, la herencia de la Termodinmica la hace algo borrosa en muchos aspectos: tiene algo de Fsica y algo de Qumica; estudia principalmente magnitudes macroscpicas, pero que tienen su fundamento en cosas microscpicas, su objetivo inicial era eminentemente prctico pero luego se ha convertido en una parte ms de la Ciencia En gran medida, la Termodinmica es una abstraccin que nos permite extraer conclusiones y realizar predicciones sobre algunos sistemas fsicos englobando magnitudes difciles de percibir y medir en otras que nos son ms cercanas y, en muchos casos, ms tiles.

Primera ley de la termodinmicaUna de las ms importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el principio de la conservacin de la energa. Esta expresa que durante una interaccin, la energa puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante. Es decir la energa no se crea ni se destruye.

La primera ley de la termodinmica, por tanto, es simplemente una expresin de la conservacin de la energa y sostiene que la energa es una propiedad termodinmica.

LaSegunda ley de la termodinmicaestablece que la energa tiene tanto calidad como cantidad y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energa.

La segunda ley de la termodinmica es un principio general que impone restricciones a la direccin de la transferencia de calor, y a la eficiencia posible en los motores trmicos. De este modo, va ms all de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinmica.mas adelante ampliaremos estas leyes

IMPORTANCIA DE LAS DIMENSIONES Y UNIDADESCualquier cantidad fsica se caracteriza mediante dimensiones. Las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Algunas dimensiones bsicas, como masa m, longitud L, tiempo t y temperatura T se seleccionan como dimensiones primarias o fundamentales, mientras que otras como la velocidad V, energa E y volumen v se expresan en trminos de las dimensiones primarias y se llaman dimensiones secundarias o dimensiones derivadas.

Con el paso de los aos se han creado varios sistemas de unidades. A pesar de los grandes esfuerzos que la comunidad cientfica y los ingenieros han hecho para unificar el mundo con un solo sistema de unidades, en la actualidad aun son de uso comn dos de estos: el sistema ingles, que se conoce como United States Customary System (USCS) y el SI mtrico (de Le Systme international d Units), tambin llamado sistema internacional. El SI es un sistema simple y lgico basado en una relacin decimal entre las distintas unidades, y se usa para trabajo cientfico y de ingeniera en la mayor parte de las naciones industrializadas, incluso en Inglaterra. Sin embargo, el sistema ingles no tiene base numrica sistemtica evidente y varias unidades de este se relacionan entre si de manera bastante arbitraria (12 pulgadas = 1 pie, 1 milla = 5280 pies, 4 cuartos = 1 galn), lo cual hace que el aprendizaje sea confuso y difcil. Estados unidos es el nico pas industrializado que aun no adopta por completo el sistema mtrico.

Unidades bsicas del SI.MagnitudNombreSmbolo

Longitudmetrom

Masakilogramokg

Tiemposegundos

Intensidad de corriente elctricaampereA

Temperatura termodinmicakelvinK

Cantidad de sustanciamolmol

Intensidad luminosacandelacd

En los clculos termodinmicos y en otras asignaturas de ingeniera es bueno cuidar de las unidades ya que estas mismas nos pueden alertar en momentos en los que tal vez nuestros calculos esten equivocados "cuida de tus unidades que tus unidades cuidaran de ti"Para profundizar un poco ms sobre las unidades del SI haz clickaqui

SISTEMASUn sistema un sistema se define como la cantidad de materia o una regin en el espacio elegida para su anlisis. La masa o regin fuera del sistema se conoce comoalrededores. La superficie real o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores se llamafrontera. La frontera de un sistema puede ser fija o mvil.

Los sistemas se pueden considerar cerrados o abiertos dependiendo si se elige para estudio una masa fija o un volumen fijo en el espacio. Unsistema cerradoconocido tambin como masa de control consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera, es decir, ninguna masa puede entrar o salir de un sistema cerrado como se ilustra en la figura. Pero la energa en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera. Si como caso especial se prohbe que la energa cruce la frontera entonces se trata de unsistema aislado.

Un sistema abierto o volumen de control, como suele llamarse, es una regin elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un dispositivo que tiene que ver con flujo msico, como un compresor, turbina o caldera. El flujo por estos dispositivos se estudia mejor si se selecciona la regin dentro del dispositivo como el volumen de control. Tanto la masa como la energa pueden cruzar la frontera de un volumen de control.

VARIABLESTERMODINMICASComo decimos, la mayora de los sistemas que estudia la Termodinmica son tremendamente complejos, pero es habitual estudiarlos a travs de una serie de variables que los definen, las variables termodinmicas. Cuantas ms variables se escojan, ms completa ser la visin que tengamos del sistema y ms difcil trabajar con ellas. Lo habitual es utilizar unas cuantas, de las que iremos hablando segn vayan apareciendo en el bloque, pero que seguro que conoces en mayor o menor medida: temperatura, presin, volumen, densidad, etc.El conjunto de los valores de todas las variables que hayamos elegido para describir el sistema define el estado del sistema en un momento dado. Por ejemplo, si para un sistema determinado medimos nicamente la temperatura y la presin, el par de variables (150 K, 25 000 Pa) define el estado de nuestro sistema no te preocupes si no sabes a qu se refieren los nmeros o unidades, simplemente fjate en que dos nmeros definen el estado de nuestro sistema. Si un rato ms tarde la temperatura es de 150 K y la presin de 25 000 Pa otra vez, en lo que a nosotros respecta el estado del sistema es el mismo; si la presin es de 20 000 Pa, el estado ser, claro est, diferente.Cuando el estado del sistema cambia a lo largo del tiempo, se ha producido un proceso termodinmico, y algunas (o todas) las variables tendrn, en algn momento, un valor diferente al que tenan al principio. Dependiendo de cmo sucede esto puede haber, como supongo que imaginas, multitud de procesos diferentes, e iremos hablando de unos y otros segn lo necesitemos. Y es perfectamente posible que, tras distintos cambios en el estado del sistema, ste termine exactamente igual que empez; lo que se ha producido entonces es un ciclo termodinmico. Naturalmente, que el sistema tenga el mismo estado que al principio no quiere decir que no haya sucedido nada interesante: es posible que el sistema est igual que antes pero que haya modificado su entorno de un modo que, por ejemplo, nos sea til, como sucede en el ciclo dentro de un motor de un coche.

Instrumentos de medida y depsitosSi lo que queremos es medir una variable, necesitamos un instrumento de medida, es decir, algo como un termmetro, un barmetro, etc. Estrictamente, esto es en s mismo otro sistema termodinmico, pero como siempre en esta ciencia, es normal hacer una aproximacin: suponer que el instrumento cambia el valor de la magnitud que sea (temperatura, presin o cualquier otra cosa) de manera rpida y elegante, es decir, sin modificar el sistema que est midiendo.Puedes pensar en los instrumentos de medida como en mini-sistemas termodinmicos con muy poca inercia, es decir, que cambian su propio estado facilsimamente y apenas alteran lo que tienen alrededor. Si introduces un pequeo termmetro en el lago del ejemplo de arriba, aunque el termmetro no est al principio a la misma temperatura que el agua del lago (con lo que, estrictamente hablando, modificar la temperatura del agua), el efecto sobre el lago en su conjunto es inapreciable, mientras que el propio termmetro se pondr en muy poco tiempo a la temperatura del agua, con lo que conoceremos muy bien su valor. Adems, si en cualquier momento cambia la temperatura del agua, el termmetro nos informar de ello casi instantneamente: de hecho, a veces ni se menciona el modo exacto en el que se miden las variables y se supone lo ideal, es decir, un cambio instantneo e informacin sin alterar el estado del sistema estudiado.

Si nuestro objetivo es forzar a que una variable del sistema tenga un valor fijo, necesitamos justo lo contrario: un sistema con mucha inercia, o lo que es lo mismo, algo que apenas cambie su propio estado en algn aspecto determinado como la temperatura, pero que modifique mucho lo que tiene cerca. Este tipo de sistema es lo que se denomina un depsito, (tambin foco o reservorio). Emplearlos es til cuando queremos asegurarnos de que alguna variable determinada del sistema que estudiamos tiene un valor fijo (o lo ms fijo posible), o cuando las propias circunstancias del sistema hacen que exista un depsito de manera natural, en cuyo caso el concepto es til porque nos permite olvidarnos de una variable que no va a cambiar.

PROPIEDADES DE UN SISTEMAA una caracterstica de un sistema se le llama propiedad. Ej: presin, temperatura, volumen, masa, etc. Las propiedades de un sistema se diferencian en dos grupos:1) Propiedades Intensivas Son aquellas que no dependen de la masa del sistema, como son, temperatura, presin y densidad. Es decir, si pudiramos aislar muchas partes del sistema y pudiramos medir estas propiedades en dichas partes tendramos siempre la misma medida. Por ejemplo, si estamos midiendo densidad no importa si tomamos un poco de masa o mucha porque de todas formas va a ser la misma densidad en ambos casos ya que esta no depende de la cantidad de masa a la cual midamos densidad sino de la cantidad que exista de ella en cierta cantidad de volumen, la cual permanece siempre constante.

2) Propiedades extensivas Son aquellas que dependen de la masa o extensin del sistema como son la misma masa y el volumen. Si medimos la propiedad masa de un sistema tendremos que si medimos cierta cantidad de masa tendremos cierta medida, pero si duplicamos la cantidad de masa tendremos tambin el doble en la medicin, es decir, la medida de la masa depende de la cantidad, propiedad extensiva.

Densidad y densidad relativaLa densidad se define como la masa por unidad de volumen= m/V (Kg/m3)

El reciproco de la densidad es el volumen especifico

v = V/m = 1/

En los lquidos el volumen vara mucho con la temperatura y poco con la presin, y lo mismo ocurre con su densidad. Cuando aumenta la temperatura aumenta el volumen y, si no vara la masa, disminuye el valor de la densidad. Por ello en las tablas de densidades debe especificarse la temperatura a la que se determin cada valor de densidad del lquido. Y si la medimos tambin hay que tener en cuenta la temperatura del lquido en el momento de la medicin. Como los gases son muy compresibles, adems de la temperatura tambin ha de especificarse la presin absoluta a la cual se determin su densidadLa mayora de tablas de densidades de slidos y lquidos, vienen expresadas en los manuales en unas unidades mas prcticas que los kg/m3 arriba mencionados, porque, en los lquidos, con kg/m3 se obtendran valores muy grandes. Por eso suelen encontrarse en mltiplos o submltiplos de las unidades fundamentales, cosa que tambin autoriza el SI. Las tablas usan muchas veces kg/dm3, y tambin g/cm3. El valor numrico en ambos casos coincide, porque 1 kg/dm3= 1000g/1000cm3 = 1 g/cm3En los lquidos y slidos las densidades se expresan, a veces, a 0C, y otras a 15,6C (60F), o a 15C, o a 20C. En los gases suelen darse: en Europa a 0C de temperatura y a 760 mm de columna mercurio de presin absoluta, que son las denominadas condiciones normales en Europa; y enEstados Unidos a 60F y 14,70 psia que son las que ellos llaman standard conditions. Ntese que:(760 mm Hg abs = 101,3 kPa abs = 1,013 bar abs =14,70 psia), Un concepto muy distinto al anterior es la densidad relativa, que se define como el cociente entre la densidad de un cuerpo y la de otro que se toma como unidad, y yo aado: siempre y cuando ambas densidades se expresen en las mismas unidades y en iguales condiciones de temperatura y presin.Peso especfico Es el peso de un volumen unitario de una sustancia. Se simboliza con la letra del alfabeto griego gamma.= . g = densidad. Gravedad (N/m, lbf/ft)Gravedad especfica o Densidad relativa Es el cociente de la densidad de una sustancia entre la densidad de alguna sustancia estndar a una temperatura especificada. En general, la sustancia estndar es agua a 4C. Se simboliza con la letra S mayscula.

S = _sustancia / _agua a 4C = r_sustancia / r_agua a 4C

ESTADO TERMODINAMICO Y EQUILIBRIOEstado del sistemaCuando se han especificado las variables necesarias para describir al sistema se dice que se ha particularizado el estado del sistema. Un sistema se encuentra en estado definido cuando todas sus propiedades poseen valores especficos. Si a su vez estos valores no cambian con el tiempo, el sistema se dice que est en equilibrio termodinmico, para el cual no existe un flujo de masa o energa. El equilibrio termodinmico se establece una vez que el sistema alcanza otro tipo de equilibrios.Para comprobar si un sistema est en equilibrio habra que aislarlo (imaginariamente) y comprobar que no evoluciona por s solo.

Ejemplo de equilibrio mecnico: el punto P tiene una posicin de equilibrio que viene dada por la magnitud de las tres masas y la distancia entre las poleas (leyes de la esttica: equilibrio de fuerzas). El punto no cambia de posicin si no interviene alguna interaccin desde el exterior. Una pequea perturbacin (un pequeo aumento m de una de las masas, o un cambio x de las posiciones de las poleas) desplaza la posicin de P, pero si cesa la accin desde el exterior el punto vuelve a su posicin de equilibrio.(Figura)

Cuando no hay ninguna fuerza sin equilibrar en el sistema y, por consiguiente, no se ejercen fuerzas entre l y el ambiente que lo rodea, se dice que el sistema se encuentra en equilibrio mecnico. Si no se cumplen estas condiciones, el sistema slo o el sistema y su medio ambiente experimentarn un cambio de estado, que no cesar hasta que se haya restablecido el equilibrio mecnico.Si un sistema en equilibrio mecnico no tiende a experimentar un cambio espontneo en su estructura interna, tal como una reaccin qumica, o la difusin de materia de una parte del sistema a otro (aunque sea lenta), el sistema se encuentra en equilibrio qumico. Un sistema que no se halle en equilibrio qumico experimenta un cambio de estado que, en algunos casos, es extremadamente lento. El cambio cesa cuando se ha alcanzado el equilibrio qumico.Existe un equilibrio trmico cuando no hay cambio espontneo en las variables de un sistema en equilibrio mecnico y qumico si se le separa del exterior mediante una pared diatrmica. En el equilibrio trmico, todas las partes del sistema se encuentran a la misma temperatura, y esta temperatura es igual a la del medio ambiente. Si estas condiciones no se cumplen, tendr lugar un cambio de estado hasta alcanzar el equilibrio trmico.Para el caso en que las propiedades del sistema no cambien con el tiempo, pero igual existe un flujo de materia y/o energa, se dice que el sistema se encuentra en estado estacionario.El Equilibrio, es un concepto fundamental de la Termodinmica. La idea bsica es que las variables que describen un sistema que est en equilibrio no cambian con el tiempo. Pero esta nocin no es suficiente para definir el equilibrio, puesto que no excluye a procesos estacionarios (principalmente varios procesos en que hay flujos) que no se pueden abordar con los mtodos de la Termodinmica clsica. En los procesos estacionarios debe haber continuamente cambios en el ambiente para mantener constantes los valores de las variables del sistema. Para excluirlos se usa entonces una definicin ms restrictiva: un sistema est en equilibrio si, y solo si, est en un estado desde el cual no es posible ningn cambio sin que haya cambios netos en el ambiente.La Termodinmica clsica se ocupa solamente de sistemas en equilibrio. Veremos ms adelante cmo se pueden tratar sistemas fuera del equilibrio.El equilibrio es una abstraccin pues los sistemas reales no estn nunca en estricto equilibrio. Pero siempre y cuando las variables que describen al sistema y al ambiente que interacta con l no varen apreciablemente en la escala de tiempo de nuestras mediciones, se puede considerar que el sistema est en equilibrio y aplicarle las consideraciones termodinmicas pertinentes.

ProcesoUn sistema experimenta un proceso, cuando se verifica un cambio de estado. Un cambio de estado puede conseguirse por distintos procesos.Proceso cclicoEl estado final coincide con el inicial.Proceso cuasiestticoTodos los estados intermedios del proceso son estados de equilibrio. Este proceso realmente no existe, es ideal o terico. Puede aproximarse tanto ms cuanto la causa del proceso vara en cantidades cada vez ms pequeas. Entonces cada nuevo estado producido, puede considerarse de equilibrio y viene definido por sus coordenadas y puede aplicrsele las ecuaciones que las vinculen. La representacin en un diagrama vendr dada por una curva continua.

Proceso cuasiesttico de expansin de un gas. La fuerza exterior (peso de la arena) se va reduciendo infinitesimalmente. Todos los estados intermedios son de equilibrio.

Proceso no estticoCuando no cumple las condiciones anteriores. Son los procesos de igualacin, ver siguiente figura:

Procesono estticode expansin de un gas. Al retirar la fijacin, elsistemadeja de estar en equilibrio, y evoluciona por s solo hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio. Los estados intermediosno son de equilibrio.

Proceso reversibleEs un proceso cuasiesttico, que puede ser llevado de nuevo al estado inicial pasando por los mismos estados intermedios que el proceso directo, y sin que al final, ni en el sistema ni en el medio rodeante, quede ningn efecto residual que pueda revelar que se ha verificado el proceso. Para que esto ltimo suceda, no debe haber rozamientos ni deformaciones, lo que se llaman efectos disipativos. Por ltimo, adelantaremos que no habr degradacin de la energa y por ello ninguna generacin o produccin de entropa.

Proceso irreversibleSon los procesos reales. En ellos siempre habr degradacin de energa y generacin de entropa. Pueden ser de dos tipos:

a) Cuando se verifiquen por cambios no estticos (procesos de igualacin), tengan o no efectos disipativos.

b) Cuando haya efectos disipativos, aunque se verifiquen a travs de cambios cuasiestticos.

FaseMuchas veces conviene dividir un sistema heterogneo en subsistemas, llamados fases, imaginando nuevos lmites en los lugares donde ocurren las discontinuidades. En consecuencia, una fase es un subsistema homogneo. No es necesario que todas las partes de una fase sean adyacentes. Por ejemplo, un sistema que consiste de hielo y agua se considera un sistema de dos fases, sea que el hielo est en un nico trozo o dividido en varios fragmentos.

Sustancia puraSustancia pura es un material formado por un slo constituyente, en oposicin a una mezcla. Sustancia pura no significa sustancia qumicamente pura: sustancia pura es la que, en el intervalo de propiedades estudiado, no se separa en sus componentes. Por ejemplo, en procesos fsicos (calentamiento o enfriamiento, compresin o expansin) a temperatura ambiente o superior, el aire puede considerase una sustancia pura; pero en procesos qumicos (reacciones de combustin) o a bajas temperaturas (cuando se forma aire lquido al licuarlo), es necesario considerar el aire como una mezcla de sus componentes (oxgeno, nitrgeno, etc.).