Fundamentos de la Termodinámica: Sistemas, Variables y Leyes Esenciales
Introducción a la Termodinámica
Definición Fundamental
La Termodinámica (originalmente descrita como el TERMODRama) es la rama de la Física que estudia el calor, el trabajo, la energía y los cambios que estos producen en los estados de los sistemas. La termodinámica es el estudio de la transformación de una forma de energía en otra y del intercambio de energía entre sistemas.
Sistemas Termodinámicos y Entorno
Un sistema termodinámico es la parte del universo que nos interesa estudiar.
- Entorno: Se refiere a los alrededores o al resto del universo.
Tipos de Sistemas
Los sistemas se clasifican según su capacidad para intercambiar materia y energía con el entorno:
- Abiertos: Intercambian materia y energía.
- Cerrados: Intercambian solo energía.
- Aislados: No intercambian ni materia ni energía (nada).
Variables Termodinámicas
Para describir un sistema se miden ciertas magnitudes que llamamos variables termodinámicas.
Tipos de Variables
- Variables Intensivas
No dependen de la cantidad de materia del sistema. No son aditivas.
- Ejemplos: T (Temperatura), P (Presión), ρ (Densidad).
- Variables Extensivas
Dependen de la cantidad de materia del sistema. Son aditivas.
- Ejemplos: m (Masa), V (Volumen).
Estados y Procesos Termodinámicos
Equilibrio y Procesos
La termodinámica estudia sistemas en equilibrio o procesos reversibles. En el equilibrio, no se observan variaciones macroscópicas con el tiempo (equilibrio térmico, mecánico y material).
Cuando alguna de las variables de estado cambia con el tiempo, se produce un PROCESO termodinámico.
Tipos de Procesos
Los procesos se clasifican según la variable que se mantiene constante:
- Isotermo: Temperatura constante.
- Isóbaro: Presión constante.
- Isócoro: Volumen constante.
- Adiabático: No hay intercambio de calor (Q = 0).
- Cíclico: El estado final es igual al estado inicial.
Proceso Reversible
Un proceso es Reversible si el sistema se mantiene siempre infinitesimalmente próximo al equilibrio; un cambio infinitesimal en las condiciones puede invertir el proceso.
Conceptos Clave
Temperatura (T)
La Temperatura (T) es una propiedad intensiva del sistema, relacionada con la energía cinética media de las moléculas que lo constituyen. Su cambio supone el cambio repetitivo y predecible en otras propiedades del sistema, lo que permite asignarle un valor numérico.
Calor (Q)
El CALOR (Q) es la Energía que se transfiere de un objeto a otro debido a una diferencia de temperatura.
La Caloría
Una caloría (cal) es el calor necesario para elevar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5ºC a 15,5ºC a la presión de 1 atmósfera.
El calor también está asociado al cambio de fase (fusión o evaporación).
Principios de la Termodinámica
Principio Cero (Ley Cero)
El Principio Cero de la Termodinámica establece que si dos sistemas (A y B) están en equilibrio térmico con un tercer sistema (C), entonces A y B también están en equilibrio térmico entre sí.
Primer Principio de la Termodinámica (1PT)
El Primer Principio de la Termodinámica (Ley de Conservación de la Energía) establece que el calor añadido a un sistema es igual a la variación de la energía interna del mismo más el trabajo realizado por el sistema.
Segundo Principio de la Termodinámica (2PT) y Entropía
El Segundo Principio de la Termodinámica introduce el concepto de ENTROPÍA (S).
- Todo sistema aislado evoluciona en un sentido hasta alcanzar el equilibrio.
- Es imposible la transformación completa de calor en trabajo en un proceso cíclico.
El Estado Gaseoso
Características de los Gases
Los GASES son fluidos que presentan las siguientes características:
- No tienen forma ni volumen propios.
- Poseen una densidad baja.
- Son homogéneos e isótropos.
- Tienen viscosidades muy pequeñas.
- Son muy compresibles.
Gas Ideal
Un gas ideal es aquel que está suficientemente diluido como para que no existan interacciones entre sus moléculas. Casi todos los gases reales a temperatura ambiente y presión atmosférica se comportan de manera similar a un gas ideal (siguiendo la ecuación de estado de los gases ideales).