Principios de Termodinámica: Variables, Procesos y Entropía

Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Variables Termodinámicas

• Variables extensivas: Aquellas cuyo valor depende de la cantidad de sistema que se considere (masa, volumen, flujo de calor).
• Variables intensivas: Aquellas cuyo valor no depende de la cantidad de sistema considerado (temperatura, densidad, presión). Su valor no cambia al analizar el sistema en su conjunto respecto a una de sus partes.

Definiciones Clave

• Energía: Se define como cualquier propiedad que se puede producir a partir de trabajo, o convertirse en este.
• Trabajo (W): Energía intercambiada mediante un proceso mecánico entre un sistema y su entorno.
• Temperatura: Magnitud física que refleja la cantidad de calor, ya sea de un cuerpo, de un objeto o del ambiente.
• Calor: Energía que se transfiere de un sistema a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura.

Leyes de la Termodinámica

• Primera Ley: La energía ni se crea ni se destruye, se transforma. En cualquier proceso que podamos imaginar, la energía en juego es siempre la misma.
• Segunda Ley: El calor fluye de forma natural de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor. Una de las consecuencias de esto es que no podemos transformar el 100% del calor en energía aprovechable.
• Tercera Ley: Es imposible alcanzar la temperatura de 0 K. Todos los objetos del universo tienen una temperatura superior al cero absoluto. La entropía nunca es negativa. La entropía es una función de estado; se establece la variación de entropía de un proceso como la diferencia de las entropías de las sustancias que intervienen.

Procesos Termodinámicos

• Procesos isotérmicos: Tienen lugar sin variación de la temperatura del sistema. Como consecuencia, la energía interna del sistema no varía.
• Procesos adiabáticos: No hay transferencia de calor, pero sí intercambio de trabajo entre el sistema y el entorno. La variación de energía interna del sistema es igual al trabajo desarrollado.
• Procesos isocóricos: Suceden a volumen constante. En consecuencia, el trabajo, entendido como compresión-expansión, es nulo.
• Procesos isobáricos: Aquellos que tienen lugar a presión constante. En consecuencia, el trabajo, entendido como compresión-expansión, tiene un valor determinado.

Entalpía y Entropía

• Entalpía: Cantidad de energía de un sistema termodinámico que este puede intercambiar con su entorno.
• Entropía: Magnitud termodinámica que indica el grado de desorden molecular de un sistema.

Espontaneidad de los Procesos

Los sistemas tienden espontáneamente al desorden (entropía). Para que un proceso sea espontáneo, el sistema se desordena.

• Negación termodinámica: Si un proceso no es espontáneo, resulta imposible que transcurra, salvo que se actúe externamente alterando las condiciones del sistema.
• Afirmación termodinámica: Cuando decimos que un proceso es espontáneo, solo afirmamos que puede ocurrir.