Termodinámica
La Termodinámica se ocupa del estudio de sistemas físicos
con un número muy grande de partículas, del orden del número de Avogadro. El
gran número de grados de libertad implica que la resolución de las ecuaciones
del movimiento de todas las partículas es imposible, ya que no solamente
tenemos un número inmenso de ecuaciones diferenciales, sino que además, las
condiciones iniciales son imposibles de determinar.
Para conocer el estado de un mol de gas perfecto no necesitamos
conocer el estado microscópico del sistema, sino magnitudes como la presión, la
temperatura y el volumen que describen el sistema desde un punto de vista
macroscópico.
Se introduce fenomenológicamente el concepto de temperatura,
y se muestra a los estudiantes que muchas propiedades de un cuerpo (longitud,
volumen, presión, resistencia eléctrica, etc.) varían con la temperatura.
Entonces la temperatura se mide con un aparato llamado termómetro, utilizando
una escala de temperatura con puntos de referencia tales como los puntos de
congelación y de ebullición del agua a la presión normal de una atmósfera.
El calor se define empíricamente como la energía transferida
desde un cuerpo más caliente a otro menos caliente como consecuencia de su
diferencia de temperatura. La conducción del calor a lo largo de una barra
cuyos extremos se mantienen a una temperatura fija es una situación relevante,
que permite establecer con claridad la diferencia entre calor y temperatura y
establecer analogías con otras partes de la Física como el establecimiento de
una corriente eléctrica, o con los fluidos.
El equilibrio térmico entre dos recipientes que se ponen en
contacto inicialmente a distinta temperatura, es otra situación que permite
distinguir entre calor y temperatura. La analogía eléctrica o hidraúlica es
también importante reseñarla.
El equivalente mecánico del calor también nos permite
conectar con otras partes de la Física, en la que una determinada cantidad de
energía mecánica, eléctrica o radiación se transforma en calor.
Una vez explicado el concepto de presión y los instrumentos
de medida de la presión de un gas, se discutirá y aplicará la ley de los gases
ideales, señalando la diferencia con el comportamiento de los gases reales.
Entramos ahora, en lo que es propiamente la Termodinámica,
el estudio de los sistemas en
equilibrio, compuestos por un número muy grande de partículas. Se establecerá
una relación entre calor, energía interna, y trabajo del sistema como un todo.
En primer lugar, se recordará los conceptos de energía y trabajo para una
partícula, y para un sistema de partículas. La energía interna de un sistema de
partículas como suma de la energías cinética de cada una de las partículas y de
la suma de la energía potencial de interacción entre pares de partículas. A
ésta, se le deben de añadir otros términos (rotacional, vibracional, etc.) si
las "partículas" tienen estructura.
Cuando el sistema no está aislado, las fuerzas exteriores
pueden variar la energía interna del sistema. Cuando se estudia en detalle el
trabajo exterior en un sistema muy grande de partículas estamos efectuando la
transición natural de la Mecánica a la Termodinámica. Se separa el trabajo
exterior en dos componentes "trabajo mecánico" y "calor".
A este nivel, se puede definir el trabajo como la energía
transferida desde los alrededores (o a la inversa) como resultado de un cambio
o modificación del volumen del sistema por la acción de las fuerzas exteriores
que actúan sobre el mismo. Evidentemente, se excluyen de esta definición
sistemas termoeléctricos, termomagnéticos, etc.
El calor se debe definir como la transferencia de energía a
través de la frontera (superficie) de un cuerpo (sistema) debida a las
colisiones entre las moléculas del cuerpo y del medio cuando las temperaturas del cuerpo y del medio son
diferentes. El calor implica multitud de intercambios microscópicos de energía
debidos a las colisiones elásticas e inelásticas de las partículas externas con
las partículas del sistema.
Queda ahora por definir con precisión los conceptos de
equilibrio termodinámico y procesos termodinámicos o transformaciones
(reversibles) que llevan al sistema de un estado de equilibrio a otro estado
también de equilibrio, distinguiéndolas de las transformaciones irreversibles
que es lo que habitualmente observamos en la naturaleza. Se calculará el
trabajo, el calor y la variación de energía interna de las transformaciones
isócoras, isóbaras, isotermas y adiabáticas. Se interpretará geométricamente el
trabajo en una diagrama p-V del proceso.
La entropía es un concepto difícil de comprender para los
estudiantes. Tradicionalmente se introduce a partir de la definición de
Clausius: el cambio de entropía en una transformación infinitesimal reversible
es dS=dQ/T. Es difícil explicar que la entropía es una variable de estado, sin
acudir a su definición estadística. El método de dividir el ciclo de Carnot en
una serie de ciclos infinitesimales parece artificial y no muy convincente. Sin
embargo, es la forma que es introducida en la mayoría de los libros de texto.
El estudio de un ciclo reversible a un gas ideal es un
problema completo que nos permitirá hallar:
Las magnitudes termodinámicas (presión volumen o
temperatura) desconocidas a partir de los datos suministrados, aplicando la
ecuación del gas ideal y las ecuaciones que describen cada una de las
transformaciones.
El calor, el trabajo, la variación de energía interna y de
entropía en cada proceso.
El calor absorbido, el calor cedido al medio y el trabajo
realizado, comprobando el principio de conservación de la energía. Si es
posible, se comprobará que el trabajo realizado coincide con el valor numérico
del área del ciclo.
El rendimiento del ciclo.
Por último, se comprobará que la variación de entropía de un
ciclo reversible es cero.
El Segundo Principio de la Termodinámica es mejor
introducirlo a través de ejemplos y simulaciones. Diremos que un sistema aislado que no está en
equilibrio evoluciona hasta que finalmente alcanza la configuración o estado
más probable o estable, compatible con la estructura, fuerzas internas y
energía del sistema. Se puede ilustrar con ejemplos y programas de ordenador:
Cuando dos recipientes iguales que contienen distinto número
de partículas se comunican a través de un orificio.
Cuando dos recipientes a distinta temperatura se ponen en
contacto térmico, se alcanza una temperatura de equilibrio.
Un sistema aislado de muchas partículas que interactúan
entre sí, al cabo de un cierto tiempo alcanza el equilibrio, maximizando la
entropía.
Objetivos
Conocer los efectos del calor sobre los cuerpos: dilatación
y cambios de estado, diferenciado entre calor y temperatura.
Relacionar las propiedades macroscópicas de un sistema con
las que describen el comportamiento de sus partículas constituyentes.
Conocer y aplicar el primer y segundo principio de la
termodinámica al estudio de los procesos de cuasi-equilibrio o que cambian
lentamente.
Establecer las diferencias entre procesos reversibles e
irreversibles en términos de los cambios de entropía.
Contenidos
Temperatura y Calor.
Concepto de temperatura.
Principio cero de la termodinámica.
Dilatación.
El concepto de calor y equivalente mecánico del calor.
Transmisión del calor.
Cambios de estado.
Presión ejercida por un gas.
Ecuación del gas ideal.
Teoría Cinética de los gases.
Presión ejercida por un gas.
Definición cinética de temperatura
El primer principio de la Termodinámica.
Estados de equilibrio y su transformación.
Trabajo realizado por o sobre un sistema de muchas
partículas.
El primer principio de la Termodinámica.
Aplicaciones del primer principio. Calores específicos.
Transformación adiabática e isotérmica.
El segundo principio de la Termodinámica.
Ciclos térmicos.
Enunciados del segundo principio.
La entropía.
Procesos reversible e irreversibles
gracias wuapo me servio para la tarea
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