Introducción a la Termodinámica y la Ley Cero
Ley Cero: También conocida como ley del equilibrio térmico; establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.
Energía: Definiciones, Tipos y Unidades
Energía y sus unidades: Tiene diversas definiciones relacionadas con la capacidad de llevar a cabo, transformar o poner en movimiento un sistema. Sus unidades son:
- Sistema Internacional (SI): J (Joule)
- Sistema CGS: erg
- Otras unidades: N·m, dina·cm, cal, eV (electronvoltio)
Energía cinética: Es la energía que un objeto posee en virtud de su movimiento.
Energía potencial: Es la energía que un objeto posee como resultado de su posición con respecto a otro objeto.
Energía interna: Se refiere a los movimientos moleculares y a las interacciones intermoleculares.
Energía interna molar: Es una propiedad intensiva que depende de la presión (P) y la temperatura (T).
Energía total de un cuerpo: Es la suma de la energía cinética, la energía potencial y la energía interna de un cuerpo.
Trabajo y Calor en Procesos Termodinámicos
Trabajo y sus unidades: Cantidad de energía que fluye a través de la frontera de un sistema durante un cambio de estado y que puede usarse para elevar un cuerpo en el entorno. Se define también como el cambio de energía dirigido resultante de un proceso.
Clasificación del trabajo:
- Mecánico
- De superficie
- Eléctrico
- Gravitacional
- De expansión
Diferencia entre caloría y caloría alimentaria: La caloría es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 °C. Una caloría alimentaria (o kilocaloría) es la unidad que se utiliza en las etiquetas de los alimentos.
Trabajo PV o de expansión: Se efectúa mediante un cambio de volumen (V). El cambio de volumen del sistema es la forma más común de efectuar un trabajo sobre un sistema termodinámico. En un proceso reversible: Existe una mayor transferencia de trabajo (trabajo máximo) que en uno irreversible.
Calor y unidades: Cantidad de energía que fluye a través de la frontera de un sistema durante un cambio de estado en virtud de una diferencia de temperatura (T) entre el sistema y el entorno. Es la transferencia de energía entre dos cuerpos que se encuentran a diferentes temperaturas; dicha transferencia se lleva a cabo desde un punto de mayor temperatura a otro de menor temperatura.
- Si no hay transferencia de calor: Existe equilibrio térmico.
Calor específico y unidades: Energía que se requiere para elevar la temperatura de 1 g de sustancia en 1 °C o 1 K.
Capacidad calorífica y unidades: Energía necesaria para elevar la temperatura de una cantidad dada de sustancia en 1 °C o 1 K.
Capacidad calorífica molar y unidades: Capacidad calorífica con respecto a la cantidad de sustancia (moles).
Efectos termodinámicos: Se manifiestan como Trabajo (W) y Calor (Q) en el sistema.
Diferencia entre diferencial exacta e inexacta:
- Exactas: No dependen de la trayectoria, solo de los estados inicial y final.
- Inexactas: Cuyos valores dependen de la trayectoria seguida durante el proceso.
Leyes de la Termodinámica
Convención de signos para el trabajo y el calor (Referencia: El Sistema)
- W efectuado por el sistema sobre los alrededores: Negativo (-)
- W efectuado por los alrededores sobre el sistema: Positivo (+)
- Q del sistema absorbido por los alrededores: Negativo (-)
- Q de los alrededores absorbido por el sistema: Positivo (+)
Primera Ley de la Termodinámica
También conocida como la Ley de la Conservación de la Energía. Establece que la energía (E) se puede convertir de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir. Existe una función de estado extensiva, llamada energía total del sistema (E), tal que se conserva para cualquier proceso de un sistema cerrado.
- Ecuación energética: ΔU = Q + W
Entalpía: Función de estado característica de un cuerpo o fluido que mide la energía total de sus moléculas; su variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico.
Expansión Isotérmica vs. Adiabática
Se lleva a cabo más transferencia de trabajo en una expansión isotérmica, ya que se absorbe calor del entorno para mantener la temperatura constante, permitiendo así más trabajo. En la expansión adiabática, el gas se enfría al expandirse al no recibir calor externo.
Máquinas Térmicas y Eficiencia
Máquina térmica: Dispositivo que convierte parte de la energía térmica (movimiento aleatorio de moléculas) de un flujo calórico en energía mecánica macroscópica (trabajo mecánico, W).
Efectos termodinámicos en una máquina térmica:
- Absorción de calor (QC) por el fluido desde el cuerpo caliente (caldera).
- Realización de trabajo (-W) por el fluido sobre los alrededores.
- Transmisión de calor (-Qf) desde el fluido en movimiento a un cuerpo frío (condensador).
Eficiencia o rendimiento de una máquina térmica: Es la fracción de energía suministrada (QC) que se transforma en energía resultante útil. La eficiencia de una máquina siempre será un valor entre 0 y 1 (o entre 0% y 100%).
Ciclo de Carnot: Proceso reversible que consiste en dos etapas isotérmicas a diferentes temperaturas y dos etapas adiabáticas.
Segunda Ley de la Termodinámica y Entropía
Enunciados de la Segunda Ley:
- Clausius: Es imposible que un sistema realice un proceso cíclico cuyos únicos efectos sean el flujo de calor hacia el sistema desde una fuente fría y el flujo de una cantidad igual de calor por el sistema hacia una fuente de mayor temperatura.
- Kelvin-Planck: Es imposible que un sistema realice un proceso cíclico cuyos únicos efectos sean el flujo de calor desde una fuente de calor al sistema y la realización por el sistema de una cantidad de trabajo equivalente sobre el entorno.
Entropía (S) y unidades: Es la medida del desorden molecular de un sistema. A mayor desorden molecular, mayor es la entropía.
Entropía estándar: Entropía absoluta de una sustancia a 1 atm y 25 °C.
Entropía molar y unidades: Es la entropía con respecto a la cantidad de sustancia (n).
Comportamiento de la Entropía:
- En un proceso cíclico: El cambio neto en la entropía del sistema es cero.
- En un proceso adiabático reversible: La entropía es constante, lo que significa que el cambio de entropía (ΔS) es igual a cero.
- Mezcla inerte: No ocurre reacción química durante la mezcla.
- Corolarios de Clausius: Para un sistema aislado, si ocurre un cambio espontáneo, este sucede con el aumento de la entropía (S) del sistema. La entropía del universo aumenta en un proceso espontáneo y permanece sin cambiar en un proceso de equilibrio.
Termodinámica Estadística y Tercera Ley
Sistema microscópico: Parte muy pequeña de un macrosistema cuyo estado individual contribuye estadísticamente al estado global del sistema.
Entropía absoluta por Boltzmann: Es proporcional al logaritmo natural del número de posibles combinaciones microestatales.
Relación de la constante de los gases ideales con la constante de Avogadro: Se define como la constante de Boltzmann (k), mediante la fórmula: k = R / NA.
Tercera Ley de la Termodinámica:
Toda sustancia tiene una entropía (S) positiva finita, pero en el cero absoluto de temperatura (0 K), la entropía puede llegar a cero, como es el caso de una sustancia pura cristalina perfecta.
- Según Nernst-Simon: En cualquier proceso isotérmico que implique solo sustancias puras, cada una de ellas en equilibrio interno, la variación de S tiende a 0 cuando T tiende a 0.
- Sustancia pura en equilibrio interno: Ocurre cuando sus diferentes fases (sólido, líquido y gaseoso) coexisten en condiciones de temperatura y presión específicas. En este estado, S (0 K) = 0.
Teoría de Debye: Describe el comportamiento de los fonones en un material cristalino a bajas temperaturas. Permite estimar la contribución de los fonones al calor específico en un sólido, prediciendo correctamente la dependencia a temperaturas bajas de la capacidad calorífica mediante la relación: Cp (T baja) = aT³.