Termodinmica

Mquina trmica tpica donde puede observarse la entrada desde una fuente de calor (caldera) a la izquierda y la salida a un disipador de calor (condensador) a la derecha. El trabajo se extrae en este caso mediante una serie de pistones.La termodinmica (del griego o, termo, que significa calor1 y , dnamis, que significa fuerza)2 es la rama de la fsica que describe los estados de equilibrio a nivel macroscpico.3 Constituye una teora fenomenolgica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un mtodo experimental.4 Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energa interna, la entropa, el volumen o la composicin molar del sistema,5 o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presin y el potencial qumico; otras magnitudes, tales como la imanacin, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecnica de los medios continuos en general tambin pueden tratarse por medio de la termodinmica.6

La termodinmica ofrece un aparato formal aplicable nicamente a estados de equilibrio,7 definidos como aquel estado hacia el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrnsecos y no por influencias externas previamente aplicadas.5 Tales estados terminales de equilibrio son, por definicin, independientes del tiempo, y todo el aparato formal de la termodinmica todas las leyes y variables termodinmicas, se definen de tal modo que podra decirse que un sistema est en equilibrio si sus propiedades pueden describirse consistentemente empleando la teora termodinmica.5 Los estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las restricciones a las que est sometido. Por medio de los cambios producidos en estas restricciones (esto es, al retirar limitaciones tales como impedir la expansin del volumen del sistema, impedir el flujo de calor, etc.), el sistema tender a evolucionar de un estado de equilibrio a otro;8 comparando ambos estados de equilibrio, la termodinmica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energa trmica entre sistemas trmicos diferentes.

Como ciencia fenomenolgica, la termodinmica no se ocupa de ofrecer una interpretacin fsica de sus magnitudes. La primera de ellas, la energa interna, se acepta como una manifestacin macroscpica de las leyes de conservacin de la energa a nivel microscpico, que permite caracterizar el estado energtico del sistema macroscpico.9 El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinmicas son los que postulan que la energa puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor o trabajo, y que slo puede hacerse de una determinada manera. Tambin se introduce una magnitud llamada entropa,10 que se define como aquella funcin extensiva de la energa interna, el volumen y la composicin molar que toma valores mximos en equilibrio: el principio de maximizacin de la entropa define el sentido en el que el sistema evoluciona de un estado de equilibrio a otro.11 Es la mecnica estadstica, ntimamente relacionada con la termodinmica, la que ofrece una interpretacin fsica de ambas magnitudes: la energa interna se identifica con la suma de las energas individuales de los tomos y molculas del sistema, y la entropa mide el grado de orden y el estado dinmico de los sistemas, y tiene una conexin muy fuerte con la teora de informacin.12 En la termodinmica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinmico y su contorno. Un sistema termodinmico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre s mediante las ecuaciones de estado. stas se pueden combinar para expresar la energa interna y los potenciales termodinmicos, tiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontneos.

Con estas herramientas, la termodinmica describe cmo los sistemas responden a los cambios en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de ramas de la ciencia y de la ingeniera, tales como motores, cambios de fase, reacciones qumicas, fenmenos de transporte, e incluso agujeros negros.

ndice [ocultar] 1 Historia de la termodinmica2 Leyes de la termodinmica2.1 Principio cero de la termodinmica2.2 Primera ley de la termodinmica2.3 Segunda ley de la termodinmica2.3.1 Enunciado de Clausius2.3.2 Enunciado de KelvinPlanck2.3.3 Otra interpretacin2.4 Tercera ley de la termodinmica2.5 Sistema2.6 Medio externo3 Equilibrio trmico3.1 Variables termodinmicas3.2 Estado de un sistema3.3 Equilibrio trmico3.4 Foco trmico3.5 Contacto trmico4 Procesos termodinmicos5 Rendimiento termodinmico o eficiencia5.1 Teorema de Carnot6 Diagramas termodinmicos7 Vase tambin8 Referencias8.1 Notas8.2 Bibliografa9 Enlaces externosHistoria de la termodinmica[editar]La historia de la termodinmica como disciplina cientfica se considera generalmente que comienza con Otto von Guericke quien, en 1650, construy y dise la primera bomba de vaco y demostr las propiedades del vaco usando sus hemisferios de Magdeburgo. Guericke fue impulsado a hacer el vaco con el fin de refutar la suposicin de Aristteles que "la naturaleza aborrece el vaco". Poco despus de Guericke, el fsico y el qumico Robert Boyle estudi y mejor los diseos de Guericke y en 1656, en coordinacin con el cientfico Robert Hooke, construy una bomba de aire. Con esta bomba, Boyle y Hooke observaron una correlacin entre la presin, temperatura y volumen. Con el tiempo, se formularon la ley de Boyle, indicando que para un gas a temperatura constante, la presin y el volumen son inversamente proporcionales y otras leyes de los gases.

En 1679, un asociado de Boyle, Denis Papin basndose en estos conceptos, construy un digestor de vapor, que era un recipiente cerrado con una tapa de cierre hermtico en el que el vapor confinado alcanzaba una alta presin, aumentando el punto de ebullicin y acortando el tiempo de coccin de los alimentos.

En 1697, el ingeniero Thomas Savery, a partir de los diseos de Papin, construy el primer motor trmico, seguido por Thomas Newcomen en 1712. Aunque estos primeros motores eran toscos y poco eficientes, atrajeron la atencin de los cientficos ms destacados de la poca.

En 1733, Bernoulli us mtodos estadsticos, junto con la mecnica clsica, para extraer resultados de la hidrodinmica, iniciando la mecnica estadstica.

En 1781 los conceptos de capacidad calorfica y calor latente, fueron desarrollados por el profesor Joseph Black de la Universidad de Glasgow, donde James Watt trabaj como fabricante de instrumentos. Watt consult con Black en las pruebas de la mquina de vapor, pero fue Watt quien concibi la idea del condensador externo, aumentando grandemente la eficiencia de la mquina de vapor.

En 1783, Antoine Lavoisier propone la teora del calrico.

En 1798 Benjamin Thompson, conde de Rumford, demostr la conversin del trabajo mecnico en calor.

Nicolas Lonard Sadi Carnot, considerado como el "padre de la termodinmica "Sobre la base de todo este trabajo previo, Sadi Carnot, el "padre de la termodinmica ", public en 1824 Reflexiones sobre la energa motriz del fuego, un discurso sobre la eficiencia trmica, la energa, la energa motriz y el motor. El documento describe las relaciones bsicas energticas entre la mquina de Carnot, el ciclo de Carnot y energa motriz, marcando el inicio de la termodinmica como ciencia moderna.

El primer libro de texto sobre termodinmica fue escrito en 1859 por William Rankine, quien originalmente se form como fsico y profesor de ingeniera civil y mecnica en la Universidad de Glasgow. La primera y segunda leyes de la termodinmica surgieron simultneamente en la dcada de 1850, principalmente por la obras de Germain Henri Hess, William Rankine, Rudolf Clausius, James Prescott Joule y William Thomson (Lord Kelvin).

Los fundamentos de la termodinmica estadstica se establecieron por los fsicos como James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius, Johannes van der Waals y J. Willard Gibbs.

Desde 1873 hasta el 76, el fsico matemtico estadounidense Josiah Willard Gibbs public una serie de tres artculos, siendo la ms famosa Sobre el equilibrio de las sustancias heterogneas. Gibbs demostr cmo los procesos termodinmicos, incluyendo reacciones qumicas, se podran analizar grficamente. Mediante el estudio de la energa, la entropa, volumen, potencial qumico, la temperatura y la presin del sistema termodinmico, se puede determinar si un proceso se produce espontneamente. La termodinmica qumica y la fisicoqumica fueron desarrolladas adems por Walther Nernst, Pierre Duhem, Gilbert N. Lewis, Jacobus Henricus van 't Hoff, y Thophile de Donder, entre otros, aplicando los mtodos matemticos de Gibbs.

Tambin fueron de importancia para la termodinmica los desarrollos en termometra y manometra.

Leyes de la termodinmica[editar]Principio cero de la termodinmica[editar]Artculo principal: Principio cero de la termodinmicaEste principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada temperatura emprica , que es comn para todos los estados de equilibrio termodinmico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

En palabras llanas: Si pones en contacto un objeto con menor temperatura con otro con mayor temperatura, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan.

Tiene una gran importancia experimental pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema pero no resulta tan importante en el marco terico de la termodinmica.

El equilibrio termodinmico de un sistema se define como la condicin del mismo en el cual las variables empricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presin, volumen, campo elctrico, polarizacin, magnetizacin, tensin lineal, tensin superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un