Termodinámica: definición, leyes y ecuaciones

Para muchas personas, la termodinámica suena como una rama aterradora de la física que solo las personas inteligentes pueden entender. Pero con algunos conocimientos básicos y un poco de trabajo, cualquiera puede entender esta área de estudio.

La termodinámica es una rama de la física que explora lo que sucede en los sistemas físicos debido a la transferencia de energía térmica. Físicos desde Sadi Carnot hasta Rudolf Clausius y James Clerk Maxwell hasta Max Planck han participado en su desarrollo.

La palabra "termodinámica" proviene de las raíces griegas termo, que significa caliente o tibio, y Dinamikos, que significa poderoso, aunque las interpretaciones posteriores de la raíz le atribuyen el significado de acción y movimiento. En esencia, la termodinámica es el estudio de la energía térmica en movimiento.

La termodinámica se ocupa de cómo la energía térmica se puede generar y transformar en diferentes formas de energía, como la energía mecánica. También explora la noción de orden y desorden en los sistemas físicos, así como la eficiencia energética de diferentes procesos.

Un estudio profundo de la termodinámica también se basa en gran medida en mecánica estadística para comprender la teoría cinética, etc. La idea básica es que los procesos termodinámicos pueden entenderse en términos de lo que hacen todas las pequeñas moléculas de un sistema.

Sin embargo, el problema es que es imposible observar y dar cuenta de la acción individual de cada molécula, por lo que se aplican métodos estadísticos con gran precisión.

Algunos trabajos fundamentales relacionados con la termodinámica se desarrollaron ya en el siglo XVII. La ley de Boyle, desarrollada por Robert Boyle, determinó la relación entre la presión y el volumen, lo que eventualmente condujo a la ley de los gases ideales cuando se combinó con la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac.

No fue hasta 1798 que el Conde Rumford (también conocido como Sir Benjamin Thompson) entendió el calor como una forma de energía. Observó que el calor generado era proporcional al trabajo realizado al tornear una herramienta de perforación.

A principios del siglo XIX, el ingeniero militar francés Sadi Carnot realizó una considerable cantidad de trabajo en Desarrollar el concepto de ciclo de motor térmico, así como la idea de reversibilidad en una termodinámica. proceso. (Algunos procesos funcionan tan bien hacia atrás en el tiempo como hacia adelante en el tiempo; esos procesos se denominan reversibles. Muchos otros procesos solo funcionan en una dirección).

El trabajo de Carnot condujo al desarrollo de la máquina de vapor.

Posteriormente, Rudolf Clausius formuló la primera y segunda leyes de la termodinámica, que se describen más adelante en este artículo. El campo de la termodinámica evolucionó rápidamente en el siglo XIX cuando los ingenieros trabajaban para hacer que las máquinas de vapor fueran más eficientes.

Las propiedades y cantidades termodinámicas incluyen lo siguiente:

• Calor, que es energía transferida entre objetos a diferentes temperaturas.
• Temperatura, que es una medida de la energía cinética promedio por molécula en una sustancia.
• Energía interna, que es la suma de la energía cinética molecular y la energía potencial en un sistema de moléculas.
• Presión, que es una medida de la fuerza por unidad de área sobre un recipiente que alberga una sustancia.
• Volumen es el espacio tridimensional que ocupa una sustancia.
• Microestados son los estados en los que se encuentran las moléculas individuales.
• Macroestados son los estados más grandes en los que se encuentran las colecciones de moléculas.
• Entropía es una medida del trastorno en una sustancia. Se define matemáticamente en términos de microestados, o de manera equivalente, en términos de cambios de calor y temperatura.

Se utilizan muchos términos científicos diferentes en el estudio de la termodinámica. Para simplificar sus propias investigaciones, aquí hay una lista de definiciones de términos de uso común:

• Equilibrio térmico o equilibrio termodinámico: Un estado en el que todas las partes de un sistema cerrado están a la misma temperatura.
• Kelvin cero absoluto: Kelvin es la unidad SI para temperatura. El valor más bajo en esta escala es cero o cero absoluto. Es la temperatura más fría posible.
• Sistema termodinámico: Cualquier sistema cerrado que contenga interacciones e intercambios de energía térmica.
• Sistema aislado: Un sistema que no puede intercambiar energía con nada fuera de él.
• Energía calorífica o energía térmica: Hay muchas formas diferentes de energía; entre ellos se encuentra la energía térmica, que es la energía asociada con el movimiento cinético de las moléculas en un sistema.
• Energía libre de Gibbs: Un potencial termodinámico que se usa para determinar la cantidad máxima de trabajo reversible en un sistema.
• Capacidad calorífica específica: La cantidad de energía térmica requerida para cambiar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en 1 grado. Depende del tipo de sustancia y es un número que generalmente se busca en las tablas.
• Gas ideal: Un modelo simplificado de gases que se aplica a la mayoría de los gases a temperatura y presión estándar. Se supone que las propias moléculas de gas chocan en colisiones perfectamente elásticas. También se supone que las moléculas están lo suficientemente separadas entre sí como para poder tratarlas como masas puntuales.

Hay tres principales leyes de la termodinámica (llamada primera ley, segunda ley y tercera ley) pero también hay una ley cero. Estas leyes se describen a continuación:

La ley cero de la termodinámica es probablemente el más intuitivo. Establece que si la sustancia A está en equilibrio térmico con la sustancia B, y la sustancia B está en equilibrio con la sustancia C, entonces se sigue que la sustancia A debe estar en equilibrio térmico con sustancia C.

La primera ley de la termodinámica es básicamente un enunciado de la ley de conservación de la energía. Establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la diferencia entre la energía térmica transferida al sistema y el trabajo realizado por el sistema en su entorno.

La segunda ley de la termodinámica, a veces conocida como la ley que implica una flecha del tiempo, establece que la entropía total en un sistema cerrado solo puede permanecer constante o aumentar a medida que avanza el tiempo. La entropía puede pensarse libremente como una medida del desorden de un sistema, y ​​esta ley puede pensarse de vagamente como afirmar que "las cosas tienden a mezclarse cuanto más las agitas, en contraposición a sin mezclar ".

La tercera ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema se acerca a un valor constante cuando la temperatura de un sistema se acerca al cero absoluto. Dado que en el cero absoluto, no hay movimiento molecular, tiene sentido que la entropía no cambie en ese punto.

La termodinámica hace uso de la mecánica estadística. Esta es una rama de la física que aplica la estadística tanto a la física clásica como a la cuántica.

La mecánica estadística permite a los científicos trabajar con cantidades macroscópicas de una manera más sencilla que con cantidades microscópicas. Considere la temperatura, por ejemplo. Se define como la energía cinética media por molécula de una sustancia.

¿Qué pasaría si en cambio necesitaras determinar la energía cinética real de cada molécula, y más que eso, hacer un seguimiento de cada colisión entre moléculas? Sería casi imposible avanzar. En cambio, se utilizan técnicas estadísticas que permiten comprender la temperatura, la capacidad calorífica, etc., como propiedades más importantes de un material.

Estas propiedades describen el comportamiento promedio que ocurre dentro del material. Lo mismo ocurre con cantidades como la presión y la entropía.

A motor térmico es un sistema termodinámico que convierte la energía térmica en energía mecánica. Las máquinas de vapor son un ejemplo de máquina térmica. Funcionan usando alta presión para mover un pistón.

Los motores térmicos operan en una especie de ciclo completo. Tienen algún tipo de fuente de calor, que generalmente se llama baño de calor, que les permite absorber energía térmica. Esa energía térmica luego causa algún tipo de cambio termodinámico dentro del sistema, como aumentar la presión o expandir un gas.

Cuando un gas se expande, actúa sobre el medio ambiente. A veces, esto parece hacer que un pistón se mueva en un motor. Al final de un ciclo, se utiliza un baño frío para devolver el sistema a su punto de partida.

Los motores térmicos absorben energía térmica, la utilizan para realizar un trabajo útil y luego también emiten o pierden algo de energía térmica al medio ambiente durante el proceso. La eficiencia de una máquina térmica se define como la relación entre la producción de trabajo útil y la entrada neta de calor.

No es sorprendente que los científicos e ingenieros quieran que sus motores térmicos sean lo más eficientes posible, convirtiendo las cantidades máximas de energía térmica en trabajo útil. Podría pensar que lo más eficiente que podría ser un motor térmico es 100 por ciento eficiente, pero esto es incorrecto.

De hecho, existe un límite en la eficiencia máxima de un motor térmico. La eficiencia no solo depende del tipo de procesos en el ciclo, incluso cuando lo mejor posible procesos (los que son reversibles), lo más eficiente que puede ser un motor térmico depende de la diferencia relativa de temperaturas entre el baño térmico y el baño frío.

Esta eficiencia máxima se llama eficiencia de Carnot, y es la eficiencia de un Ciclo de Carnot, que es un ciclo de motor térmico formado por componentes totalmente reversibles procesos.

Hay muchas aplicaciones de la termodinámica para procesos visto en la vida cotidiana. Tome su refrigerador, por ejemplo. Un refrigerador funciona con un ciclo termodinámico.

Primero, un compresor comprime el vapor de refrigerante, lo que provoca un aumento en la presión y lo empuja hacia adelante en bobinas ubicadas en la parte posterior exterior de su refrigerador. Si siente estas espirales, se sentirán calientes al tacto.

El aire circundante hace que se enfríen y el gas caliente se vuelve líquido. Este líquido se enfría a alta presión a medida que fluye hacia las bobinas dentro del refrigerador, absorbiendo calor y enfriando el aire. Una vez lo suficientemente caliente, se evapora nuevamente en gas y vuelve al compresor, y el ciclo se repite.

Las bombas de calor, que pueden calentar y enfriar su casa, funcionan con principios similares.