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Termodinámica

Es el término utilizado para englobar la serie de estudios y experimentos que se ejecutan bajo las leyes de la física, que analizan de forma detallada el equilibrio de los elementos terrestres, además de cómo el calor y la energía afectan la vida en el planeta y los materiales que la conforman. A partir de ello, se han podido crear distintas máquinas que ayudan en los procesos industriales. La palabra viene de las palabras griegas θερμο y δύναμις, las que significan “termo” y “calor.

Termodinámica


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Qué es la termodinámica

La definición de la termodinámica señala que es la ciencia que se ocupa concretamente de las leyes que rigen la transformación de energía térmica en energía mecánica y viceversa. Se basa en tres principios fundamentales y tiene evidentes implicaciones filosóficas y además, permiten la formulación de conceptos que figuran entre los de mayor alcance en la física.

Dentro de esta se emplean distintos métodos de investigación y apreciación de los objetos requeridos, como lo pueden ser las magnitudes extensivas y no extensivas.La extensiva estudia la energía interna, la composición molar o el volumen y la segunda, por su parte estudia la presión, temperatura y potencial químico; aun así, se utilizan otras magnitudes para el análisis veraz.

Qué estudia la termodinámica

La termodinámica estudia los intercambios de la energía térmica entre sistemas y los fenómenos mecánicos y químicos que implican tales intercambios. De una manera particular se encarga del estudio los fenómenos en los que existe transformación de energía mecánica en térmica o viceversa, fenómenos que reciben el nombre de transformaciones termodinámicas.

Es considerada una ciencia fenomenológica, ya que se centra en los estudios macroscópicos de los objetos y demás. De igual forma, hace uso de otras ciencias para poder explicar los fenómenos que busca identificar en sus objetos de análisis, como lo es la mecánica estadística. Los sistemas termodinámicos utilizan algunas ecuaciones que ayudan a mezclar sus propiedades.

Entre sus principios básicos se puede hallar el de la energía, que puede ser transferida de un cuerpo a otro, por medio del calor. Se aplica a muchas áreas de estudio como lo es la ingeniería, al igual que colabora con la elaboración de los motores, estudiar los cambios de fase, reacciones químicas y agujeros negros.

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Qué es un sistema termodinámico

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Se llama sistema termodinámico al cuerpo, o conjunto de cuerpos, sobre el que tiene lugar una transformación termodinámica. El estudio de un sistema se hace partiendo del estado, es decir, de sus condiciones físicas en un instante determinado. A nivel microscópico, dicho estado puede describirse mediante coordenadas o variables térmicas, tales como la masa, la presión, la temperatura, etc., que son perfectamente medibles, pero a nivel microscópico debe tenerse en cuenta las fracciones (moléculas, átomos) que constituyen el sistema e identificar el conjunto de las posiciones y velocidades de éstas partículas de las que depende en última instancia las propiedades microscópicas.

Además, un sistema termodinámico es una región del espacio que está sujeta al estudio que se está llevando a cabo y que está limitada por una superficie que puede ser real o imaginaria. La región fuera del sistema que interactúa con él, se denomina entorno del sistema. El sistema termodinámico interactúa con su entorno a través del intercambio de materia y energía.

La superficie que separa el sistema del resto de su contexto recibe el nombre de pared, y de acuerdo a sus característica se clasifican en tres tipos que son:

Sistema termodinámico abierto

Es el intercambio entre la energía y la materia.

Sistema termodinámico cerrado

No realiza intercambio de materia, pero si intercambia energía.

Sistema termodinámico aislado

No intercambia materia ni energía.

Principios de la termodinámica

La termodinámica cuenta con ciertos fundamentos que determinan las cantidades físicas básicas que representan a los sistemas termodinámicos. Dichos principios explican cómo es su conducta bajo ciertas condiciones e impiden el surgimiento de ciertos fenómenos.

Se dice que un cuerpo está en equilibrio térmico cuando el calor que percibe y emite son iguales. En este caso la temperatura de todos sus puntos es y se mantiene constante. Un caso paradójico de equilibrio térmico es un hierro expuesto al sol.

La temperatura de éste cuerpo, una vez alcanzado el equilibrio se mantiene superior a la del ambiente debido a que el aporte continuo de energía solar se compensa con la que el cuerpo irradia y la pierde con su conducción y convección.

El principio cero de la termodinámica o la ley cero de la termodinámica ésta presente cuando dos cuerpos en contacto están en la misma temperatura una vez alcanzado el equilibrio térmico. Se comprende con facilidad que el cuerpo más frío se caliente y el más caliente se enfría, y así va disminuyendo el flujo neto de calor entre ellos a medida que se reduce su diferencia de temperatura.

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Primer principio de la termodinámica

El primer principio de la termodinámica es el principio de la conservación de la energía (propiamente y de acuerdo con la teoría de la relatividad de la materia-energía) según la cual ésta no se crea ni se destruye, aunque sí puede transformarse de una forma a otra.

La generalización del principio de energía nos permite afirmar que la variación de la fuerza interna de un sistema es la suma del trabajo realizado y transferido, enunciado lógico al haber establecido que el trabajo y el calor son las formas de transferir energía y que ésta no se crea ni se destruye.

Se entiende por energía interna de un sistema, la suma de las distintas energías y de todas las partículas que la componen como son: energía cinética de traslación, de rotación y de vibración, energía de enlace, de cohesión, etc.

EL primer principio se ha enunciado, a veces, como la imposibilidad de la existencia del móvil perpetuo de primera especie, es decir, la posibilidad de producir trabajo sin que se produzca consumo de energía en alguna de las formas en que se manifiesta.

Segundo principio de la termodinámica

Este segundo principio trata acerca de la irreversibilidad de los eventos fisicos, sobre todo, al momento de de efectuarse un transferencia de calor.

Una gran cantidad de hechos experimentales, demuestran que las transformaciones que se producen de forma natural tienen un sentido determinado, sin que se observe jamás, que espontáneamente se realice en un sentido opuesto.

El segundo principio de la termodinámica constituye una generalización de lo que la experiencia enseña acerca del sentido en que se producen las transformaciones espontáneas. Admite diversas formulaciones que son en realidad equivalentes. Lord Kelvin, físico y matemático británico, lo enunció en estos términos en 1851 “ Es imposible realizar la transformación cuyo único resultado sea la conversión en trabajo del calor extraído de una sola fuente de temperatura uniforme”

Ésta una de las leyes de la termodinámica más importantes de la física; aún pudiéndose formular de muchas formas todas llevan a la explicación del concepto de irreversibilidad y al de entropía. El físico y matemático alemán, Rudolf Clausius estableció una desigualdad que se relaciona entre las temperaturas de un número arbitrario de fuentes térmicas y las cantidades de calor absorbidas entregadas por ellas, cuando una sustancia recorre un proceso cíclico cualquiera, reversible o irreversible, intercambiando calor con las fuentes.

En una Central Hidroeléctrica se produce energía eléctrica a partir de la energía potencial del agua embalsada. Dicha potencia se transforma en energía cinética al descender el agua por las tuberías y una pequeña parte de esta energía cinética se transforma en fuerza cinética de rotación de una turbina, cuyo eje es solidario con el eje del inductor de un alternador el cual genera la fuerza eléctrica.

El primer principio de la termodinámica nos permite asegurar que en los cambios de una forma de energía a otra no ha habido ni incremento ni disminución de la potencia inicial, el segundo principio nos dice que parte de esa energía se habrá disparado en forma de calor.

Tercer principio de la termodinámica

La tercera ley fue desarrollada por el químico Walther Nernst durante los años 1906-1912, por lo que a menudo se le conoce como el teorema de Nernst o el postulado de Nernst. Este tercer principio de la termodinámica dice que la entropía de un sistema de cero absoluto es una constante definida. Esto es debido a que hay un sistema de temperatura cero en su estado fundamental, por lo que su entropía la determina la degeneración del estado fundamental. En 1912, Nernst estableció la ley así: “Es imposible por cualquier procedimiento alcanzar la isoterma T = 0 en un número finito de pasos”

Procesos termodinámicos

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En el concepto de la termodinámica, los procesos son los cambios que se producen en un sistema y que lo llevan de un estado de equilibrio inicial a un estado de equilibrio final. Éstos se clasifican de acuerdo a la variable que se ha mantenido de manera constantes a lo largo del proceso.

Un proceso se puede presentar desde el derretimiento del hielo, hasta la ignición de una mezcla de aire-gasolina para realizar el movimiento de los pistones de un motor de combustión interna.

Hay tres condiciones que pueden variar en un sistema termodinámico: temperatura, volumen y presión. Los procesos termodinámicos se estudian en gases, ya que los líquidos son incompresibles y no se producen cambios de volumen. Además, debido a las altas temperaturas, los líquidos se convierten en gases. En sólidos, los estudios termodinámicos no se llevan a cabo porque son incompresibles y no hay trabajo mecánico en ellos.

Tipos de procesos termodinámicos

Estos procesos se clasifican de acuerdo a su enfoque, a mantener una de las variables constantes, bien sea la temperatura, la presión o el volumen. Además se aplican otros criterios como es el intercambio de la energía y la modificación de todas sus variables.

Proceso isotérmico

Los procesos isotérmicos son todos aquellos en los que la temperatura del sistema permanece constante. Esto se hace trabajando, de modo que las otras variables (P y V) cambian con el tiempo.

Proceso isobáricos

El proceso isobárico es uno en el que la presión permanece constante. La variación de la temperatura y el volumen definirá su desarrollo. El volumen puede cambiar libremente cuando se modifica la temperatura.

Procesos isocóricos

En procesos isocóricos el volumen permanece constante. También se puede considerar como aquellos en los que el sistema no genera ningún trabajo (W = 0).

Básicamente, son fenómenos físicos o químicos que se estudian dentro de cualquier recipiente, ya sea con agitación o no.

Proceso adiabático

El proceso adiabático es ese proceso termodinámico en el que no hay intercambio de calor desde el sistema hacia el exterior o en la dirección opuesta. Ejemplos de este tipo de proceso son los que se pueden realizar en un termo para bebidas.

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Ejemplos de procesos termodinámicos

  • Un ejemplo del proceso isocórico: El volumen del gas se mantiene de una manera constante. Al ocurrir cualquier tipo de cambio de temperatura vendrá acompañado de un cambio de presión. Como es el caso del vapor en una olla a presión, ésta aumenta su presión a medida que se calienta.
  • Como ejemplo del proceso Isotermo: La temperatura del gas se mantiene constante. A medida que el volumen aumenta la presión disminuye. Por ejemplo, un globo en una máquina de hacer vacío, va aumentando su volumen a medida que se va haciendo el vacío.
  • En relación al proceso adiabático: por ejemplo, la compresión del pistón en una bomba de inflado de ruedas de bicicleta, o la descompresión rápida del émbolo de una jeringa, realizando previamente comprimido con el agujero de salida taponada.

Preguntas Frecuentes sobre Termodinámica

¿A qué se le llama termodinámica?

Se conoce como la rama de la física que se encarga de estudiar las acciones mecánicas del calor y de otras formas similares de energía. Su estudio plantea los objetos como métodos macroscópicos reales, a través de razonamientos deductivos, y presta atención a variables extensivas como la energía interna, la entropía o el volumen, al igual que a variables intensivas como la presión, la temperatura o el potencial químico.

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¿Para qué sirve la termodinámica?

La termodinámica puede ser aplicada en diversos temas de ciencia e ingeniería, tales como motores, reacciones químicas, fenómenos de transporte, transiciones de fase e incluso agujeros negros. También se hace presente en la alimentación, debido a que el caliente de la cocina sufre transformaciones químicas, en la arquitectura, por estudiar aspectos de la energía solar pasiva y en la generación de electricidad, por accionar generadores eléctricos y turbinas de vapor.

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¿A qué se le llama sistema termodinámico?

Un sistema termodinámico puede ser desde un termómetro, un alimento enlatado, una cámara hiperbárica, una batería, un teléfono, una olla de presión, un traje de neopreno, una bombona de gas, una caja fuerte, un bombillo, un televisor, un reactor nuclear, hasta la mezcla de aire y gasolina en un motor térmico y se conoce por ser un fragmento del universo que se aísla del resto para ser investigado.

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¿De qué trata la segunda ley de la termodinámica?

En esta ley se expresa de forma clara que la entropía de un sistema termodinámico aislado se incrementa con el pasar del tiempo, logrando así, llegar a su máximo valor. Cuando una de las partes del sistema interactúa con otra, la presión, la densidad y la temperatura se dividen en porciones iguales, haciendo que este consiga un equilibrio térmico general.

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¿Para qué sirve la ley cero de la termodinámica?

Sirve para equilibrar la temperatura de los procesos termodinámicos, haciendo que estos compartan la energía de la que disponen. Se dice que la energía que pierden los objetos calientes, la ganan los objetos fríos, y es gracias a este proceso, que ambas partes consiguen igualar la energía térmica que poseen.

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Bibliografía

Adrián, Yirda. ( Última edición:11 de agosto del 2020). Definición de Termodinámica. Recuperado de: //conceptodefinicion.de/termodinamica/. Consultado el 5 de diciembre del 2020