TERMODINÁMICA.La termodinámica (del griego θερμo-, termo, que significa "calor" y δύναμις, dinámico, que significa

"fuerza") es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de magnitudes de los sistemas a un nivel macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica, a

partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin formar modelos y sigue un método

experimental. Los cambios estudiados son los de temperatura, presión y volumen, aunque también

estudia cambios en otras magnitudes, tales como la imanación, el potencial químico, la fuerza electromotriz

y el estudio de los medios continuos en general.

También podemos decir que la termodinámica nace para explicar los procesos de intercambio de masa y energía térmica entre sistemas térmicos diferentes.

Para tener un mayor manejo especificaremos que calor significa "energía en tránsito" y dinámica se refiere al

"movimiento", por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y

cómo la energía infunde movimiento. Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de

vapor.

El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son las leyes de la

termodinámica, que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor o

trabajo. También se introduce una magnitud llamada entropía, que mide el orden y el estado dinámico de los sistemas y tiene una conexión muy fuerte con la teoría

de información.

En la termodinámica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinámico y su

contorno. Un sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante las

ecuaciones de estado. Éstas se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales

termodinámicos, útiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontáneos.

Con estas herramientas, la termodinámica describe cómo los sistemas responden a los cambios en su

entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de temas de ciencia e ingeniería, tales como motores, transiciones de fase, reacciones químicas, fenómenos

de transporte, e incluso agujeros negros. Los resultados de la termodinámica son esenciales para la química, la física, la ingeniería química, etc., por nombrar algunos.

Definiciones Fundamentales.Sistema y sus restricciones. El desarrollo y aplicaciones de la termodinámica dependen en gran medida, de los

conceptos de: sistema termodinámico.- el cuál esta constituido por cierta cantidad de materia o radiación en una región del espacio que nosotros consideramos para su estudio. Al hablar de cierta región del espacio, surge de manera natural el concepto de frontera, esto

es, la región que separa al sistema del resto del universo físico.

Es importante señalar que el sistema termodinámico y sus fronteras están determinados por el observador que

impone restricciones cuando lo elige para su estudio. Las restricciones pueden ser de naturaleza geométrica,

mecánica o térmica. Las primeras están impuestas a través de paredes que confinan al sistema, a una región

finita del espacio.

Las mecánicas determinan como poder intercambiar energía con el sistema a través de la transmisión de

trabajo mecánico, incluyendo todos los equivalentes de este trabajo: el trabajo magnético, eléctrico, químico, etc. Por ejemplo un fluido encerrado en un recipiente

con un pistón movible. Las paredes térmicas determinan la propiedad de poder afectar el grado

relativo de enfriamiento o calentamiento que posee el sistema.

Un sistema puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad de materia, cualquier región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo demás, lo cual se convierte entonces en el

entorno del sistema.El sistema y su entorno forman el universo.

La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de sus inmediaciones (entorno) se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene

propiedades especiales que sirven para: a) aislar el sistema de su entorno o para b) permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente.

Llamamos sistema, o medio interior, la porción del espacio limitado por una superficie real o ficticia, donde se sitúa la materia estudiada. El resto del universo es el medio exterior. La distinción entre sistema y entorno es

arbitraria: el sistema es lo que el observador ha escogido para estudiar.

Si la frontera permite la interacción entre el sistema y su entorno, tal interacción se realiza a través de los canales

existentes en la frontera. Los canales pueden ser inespecíficos para interacciones fundamentales tales como el calor o la interacción mecánica o eléctrica, o

muy específicos para interacciones de transporte. Sistemas aislados, cerrados y abiertos

Sistema aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno. Sistema cerrado es el sistema que sólo puede

intercambiar energía con su entorno, pero no materia.

Sistema abierto es el sistema que puede intercambiar materia y energía con su entorno.

Propiedades microscópicas y macroscópicas de un sistema

Todo sistema posee una estructura microscópica (moléculas, ellas mismas formadas por átomos, ellos

mismos formados por partículas elementales); de modo que uno puede considerar, a priori, las

características microscópicas, propias de cada una de las partículas constitutivas del sistema, y las

características macroscópicas correspondientes al comportamiento estadístico de estas partículas.

Sistema termodinámico Un sistema termodinámico es un sistema

macroscópico, es decir, un sistema cuyo detalle de sus características microscópicas (comprendida la posición

y la velocidad de las partículas en cada instante) es inaccesible y donde sólo son accesibles sus

características estadísticas.

Estado de un sistema y sus transformaciones La palabra estado representa la totalidad de las

propiedades macroscópicas asociadas con un sistema... Cualquier sistema que muestre un conjunto de variables

identificables tiene un estado termodinámico, ya sea que esté o no en equilibrio.

Concepto de transformación: estado inicial y estado final, transformación infinitesimal.

Ocurre una transformación en el sistema si, como mínimo, cambia de valor una variable de estado del sistema a lo largo del tiempo. Si el estado inicial es

distinto del estado final, la transformación es abierta. Si los estados inicial y final son iguales, la transformación es

cerrada. Si el estado final es muy próximo al estado inicial, la transformación es infinitesimal.

Cualquier transformación puede realizarse por muy diversas maneras. El interés de la termodinámica se

centra en los estados inicial y final de las transformaciones, independientemente del camino

seguido. Eso es posible gracias a las funciones de estado.

Transformaciones reversibles e irreversibles Una transformación es reversible si se realiza mediante una sucesión de estados de equilibrio del sistema con

su entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino.

Reversibilidad y equilibrio son, por tanto, equivalentes. Si una transformación no cumple estas condiciones se llama irreversible. En la realidad, las transformaciones

reversibles no existen.

Equilibrio termodinámico Las propiedades termodinámicas de un sistema vienen

dadas por los atributos físicos macroscópicos observables del sistema, mediante la observación directa o mediante algún instrumento de medida.

Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades

termodinámicas a lo largo del tiempo. [Los estados de equilibrio son, por definición, estados

independientes del tiempo (Callen, 13)]

El estado de equilibrio termodinámico se caracteriza por la anulación por compensación de flujos de intercambio y la homogeneidad espacial de los

parámetros que caracterizan el sistema que ya no dependen del tiempo.

Un estado de no equilibrio es un estado con intercambios netos de masa o energía y sus parámetros característicos dependen en general de la posición y del

tiempo. Si no dependen de este último, necesitan la intervención del entorno para mantener sus valores

(estado estacionario fuera del equilibrio).

Reversibilidad Un proceso es reversible si su dirección puede

invertirse en cualquier punto mediante un cambio infinitesimal en las condiciones externas. Para los

procesos reversibles es posible basar los cálculos en las propiedades del sistema (con independencia de los del entorno). En los procesos reversibles, el sistema nunca se desplaza más que diferencialmente de su equilibrio

interno o de su equilibrio con su entorno.

Noción de deposito Se llama depósito un sistema cuyas variables intensivas no varían ni en el espacio ni en el tiempo, sean cuales sean los intercambios efectuados entre el sistema y el entorno. Así, un depósito es una fase que permanece indefinidamente idéntica a si misma. Ello implica que: 1) para todas las cantidades extensivas susceptibles de ser intercambiadas, puede considerarse que el sistema tiene una capacidad ilimitada. 2) que los intercambios se producen lentamente de forma que no se producen

gradientes dentro del sistema de sus variables intensivas. 3) que no se producen reacciones químicas

dentro del sistema.

Leyes de la termodinámica.Principio cero de la termodinámica

Este principio establece que existe una determinada propiedad, denominada temperatura empírica θ, que es

común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo

con uno dado. Tiene tremenda importancia experimental — pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema — pero no

resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica.

El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables

empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico,

polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x , y) no son

dependientes del tiempo. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se las conoce como

coordenadas térmicas y dinámicas del sistema.Este principio fundamental, aun siendo ampliamente

aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De

ahí que recibiese el nombre de principio cero.

Primera ley de la termodinámicaTambién conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica — en realidad el primer

principio dice más que una ley de conservación—, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o

bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley

permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las

diferencias entre trabajo y energía interna.

Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego

y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de

la termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una

manera matemática, las bases de la termodinámica.La ecuación general de la conservación de la energía es la

siguiente:Eentra − Esale = ΔEsistema

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:

U = Q − W

La primera ley de la termodinámica afirma que la energía total de cualquier sistema aislado se conserva.}

{Se trata de la generalización de la segunda ley de Newton (conservación del movimiento), mediante el

reconocimiento de que el calor Q es una forma de energía y de la energía interna U como una propiedad

intrínseca de la materia.} [El primer reconocimiento del principio de conservación,

por Leibniz en 1693, se refería sólo a la suma de la energía cinética (½mv2) y la energía potencial (mgh) de

una masa mecánica simple situada en el campo gravitacional terrestre.

En la medida en que se consideraron nuevos tipos de sistemas, la forma establecida del principio de conservación

fallaba repetidamente, pero en cada caso, fue posible revivirlo mediante la incorporación de un nuevo término matemático

(una 'nueva clase de energía')... el principio de la conservación de la energía es uno de los más fundamentales,

generales y significantes principios de la teoría física. La primera ley de la termodinámica identifica el calor como

una forma de energía. Esta idea, que hoy nos parece elemental, tardó mucho en abrirse camino y no fue formulada

hasta la década de 1840, gracias a las investigaciones de Mayer y de Joule principalmente. Anteriormente, se pensaba

que el calor era una sustancia indestructible y sin peso (el calórico) que no tenía nada que ver con la energía.

Para un sistema cerrado (de masa constante) la primera ley de la termodinámica se expresa

matemáticamente por medio de: ∆ET = Q - W

donde ∆ET es el cambio total de energía del sistema, Q es el calor agregado al sistema y W el trabajo realizado por el sistema. La primera ley de la termodinámica sólo proporciona la expresión cuantitativa del principio de

conservación de la energía. En palabras, expresa que el cambio total de energía de un sistema cerrado es igual

al calor transferido al sistema, menos el trabajo efectuado por el sistema.

Si se expande ∆ET en la expresión de la primera ley, se obtiene la ecuación

∆Ek + ∆Ep + ∆U = Q - W En el caso frecuente donde las energías potencial y

cinética (energía externa) del sistema no cambian, esta ecuación se convierte en:

∆U = Q - W o, en forma diferencial,

dU = δQ - δW y todo el intercambio de energía con el entorno sirve

para cambiar sólo la energía interna.

Movimientos perpetuos de primera especie La primera ley de la termodinámica impide la existencia

de movimientos perpetuos de primera especie, es decir, aquellos que se alimentan de la energía que ellos

mismos producen, sin necesidad de ningún aporte exterior.

Formas de intercambio de energía sistema-entorno Para sistemas cerrados, el intercambio de energía

sistema-entorno sólo puede ocurrir en dos formas: calor y trabajo.

Trabajo El trabajo en termodinámica siempre representa un

intercambio de energía entre un sistema y su entorno.Cuando un sistema sufre una transformación, este

puede provocar cambios en su entorno. Si tales cambios implican el desplazamiento (variación) de las fuerzas que ejerce el entorno sobre el sistema, o más precisamente sobre la frontera entre el sistema y el entorno, entonces ha habido producción de trabajo.

Dependiendo del origen físico de las fuerzas aplicadas al sistema se distinguen diferentes formas de trabajo

realizado.

El trabajo tiene dimensiones de energía y representa un intercambio de energía entre el sistema y su

entorno. Por convención se considera que el trabajo realizado por el sistema es positivo y el trabajo

efectuado sobre el sistema es negativo. Trabajo mecánico

El trabajo mecánico ocurre cuando una fuerza que actúa sobre el sistema lo mueve a través de una

distancia. Tal como en mecánica este trabajo se define por la integral

W = ∫Fdl

donde F es la componente de la fuerza que actúa en la dirección del desplazamiento dl. En la forma diferencial

esta ecuación se escribe: δW = Fdl

donde δW representa una cantidad diferencial de trabajo.

No es necesario que la fuerza F en realidad provoque el desplazamiento dl; sin embargo, debe ser una fuerza externa. La convención de signos usual establece que el valor de W es negativo cuando el trabajo se hace

sobre el sistema y positivo cuando es hecho por éste.

En termodinámica, a menudo se encuentra trabajo efectuado por una fuerza distribuida sobre un área, por

ejemplo, por una presión P que actúa a través de un volumen V, como en el caso de una presión de fluido ejercida sobre un pistón. En esta situación, el trabajo diferencial se expresa más convenientemente como

δW = PdV Donde P es la presión externa ejercida sobre el sistema.

El trabajo mecánico se realiza a través del desplazamiento de una masa.

La Fig. muestra un sistema A formado por un recipiente lleno de agua, un termómetro y una rueda de paletas. Este sistema puede

interaccionar con el sistema más sencillo A' compuesto por un peso y la tierra que ejerce una fuerza gravitatoria conocida w sobre este peso. Los dos sistemas interaccionan puesto que el

peso al caer hace que la rueda gire y agite el agua.

Esta interacción es adiabática, ya que la única conexión entre los dos sistemas es la cuerda, que sólo transmite

una cantidad despreciable de calor. El parámetro externo que describe el sistema A' es la distancia s del

peso por debajo del nivel de la polea. Si el peso desciende una distancia ∆s sin variación de velocidad,

la energía media del sistema A' se reduce en una cantidad w∆s, que es la disminución de la energía

potencial del peso que resulta del trabajo realizado sobre él por la gravedad (el peso desciende

normalmente con velocidad constante, puesto que alcanza muy rápidamente su velocidad límite.

Si la velocidad del peso estuviese cambiando, la variación de la energía media de A' vendría dada por la

variación de la suma de las energías cinética y potencial del peso). Como el sistema combinado

formado por A y A' está aislado, la energía media del sistema A debe aumentar entonces en el proceso en

una cantidad w∆s; es decir, el peso que cae, A', realiza un trabajo w∆s sobre el sistema aislado

adiabáticamente, A.

Trabajo de expansión Cuando el trabajo se debe al desplazamiento de las

fuerzas de presión exteriores que conllevan un cambio en el volumen del sistema se llama trabajo de

expansión y se expresa por δW = PdV

Con medios eléctricos es posible realizar trabajo de modo más conveniente y medirlo a su vez con más exactitud (el trabajo es realmente mecánico al final, pero intervienen en él fuerzas eléctricas). Esta fig.

muestra un dispositivo de este tipo, completamente análogo al de la Fig. anterior.

Trabajo eléctrico

Aquí el sistema A se compone de un recipiente lleno de agua, un termómetro y una resistencia eléctrica. A la

resistencia puede conectarse una batería de fem conocida V mediante unos conductores lo

suficientemente finos para mantener el sistema A térmicamente aislado de la batería. La carga q que

puede proporcionar la batería es su parámetro externo. Cuando la batería suministra una carga ∆q

que pasa a través de la resistencia, el trabajo realizado por la batería sobre A en este proceso es simplemente V∆q. La resistencia juega aquí un papel completamente análogo a la rueda de paletas del ejemplo anterior, de

modo que ambos son simplemente aparatos adecuados sobre los que puede realizarse el trabajo.

Calor El calor, al igual que el trabajo, se considera en

termodinámica como energía en tránsito a través de la frontera que separa a un sistema de su entorno. Sin

embargo, a diferencia del trabajo, la transferencia de calor se origina por una diferencia de temperatura

entre el sistema y su entorno y el simple contacto es el único requisito para que el calor sea transferido por

conducción. No se considera el calor que se almacena en un sistema. Cuando se le agrega energía en forma

de calor a un sistema se almacena como energía cinética y potencial de las partículas microscópicas que lo integran. Las unidades de calor son las de trabajo y

energía.

La convención de signos utilizada para una cantidad de calor Q es opuesta a la que se utiliza para el trabajo. El

calor añadido a un sistema se da con un número positivo, en tanto que el calor extraído de un sistema se

da con un número negativo.depósito de calor

Un depósito de calor es un cuerpo capaz de absorber o desprender cantidades ilimitadas de calor sin ningún

cambio de temperatura. La atmósfera y los océanos se aproximan a lo que son los depósitos de calor, por lo

general utilizados como sumideros de calor. Un horno y un reactor nuclear en funcionamiento continuo son

equivalentes a los depósitos de calor.

Segunda ley de la termodinámicaEsta ley nos da la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario

(por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la

energía de un tipo en otro sin pérdidas.

La energía total no permite caracterizar por completo un sistema macroscópico, puesto que las partículas del sistema pueden estar en diferentes distribuciones de niveles de energía, siendo igual la cantidad de energía

total. Es necesaria una magnitud que pueda representar, a nivel macroscópico, el grado de orden

existente entre las partículas del sistema. [no es posible convertir completamente calor en

trabajo, pero sí trabajo en calor. Así pues, mientras, según la primera ley, calor y trabajo son formas

equivalentes de intercambio de energía, la segunda ley varía radicalmente su equivalencia, ya que el trabajo

puede pasar íntegramente a calor pero el calor no puede transformarse íntegramente en trabajo.

Desde el punto de vista de la primera ley de la termodinámica, los dos procesos (trabajo y calor) son

equivalentes. El calor puede transformarse en trabajo, o el trabajo en calor. Esta equivalencia se pierde si

consideramos la segunda ley. El trabajo es una forma más 'coherente' de energía. Siempre podemos

transformarlo en calor, pero la inversa no siempre es posible.

De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente

pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido

aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado

(que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que

cero.

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor

temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.La aplicación más conocida es la de las máquinas

térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para

ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frio. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.

Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de

Kelvin.

Entropía [La formulación matemática de la segunda ley, debida a Clausius (1865), introduce una nueva función de estado,

la entropía, definida como

donde SA es el valor (arbitrario) que asignamos a la entropía del estado de referencia A, T es la temperatura absoluta y dqrev es el calor intercambiado en un proceso irreversible ideal.

Existe una propiedad llamada entropía S, la cual es una propiedad intrínseca de un sistema, funcionalmente relacionada con las coordenadas mensurables que

caracterizan el sistema. Para un proceso reversible, los cambios en esta propiedad están dados por:

Segunda ley de la termodinámica El cambio de entropía de cualquier sistema y su

ambiente considerados como un todo, es positivo y se aproxima a cero para cualquier proceso que se

aproxime a la reversibilidad... Todos los procesos naturales dan por :

∆Stotal ≥ 0

Enunciado de KelvinNo existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente (E.absorbida) y lo

convierta íntegramente en trabajo (E.útil).Otra interpretación

Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía

termodinámica del ambiente.

Debido a esto podemos concluir que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo siempre será menor a la unidad y ésta

estará más próxima a la unidad cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento energético de una máquina

térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.

Tercera ley de la termodinámicaLa Tercera de las leyes de la termodinámica, propuesta por Walther Nernts, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se

aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo

temperaturas iguales al cero absoluto. No es una noción exigida por la Termodinámica clásica, así que es probablemente inapropiado tratarlo de “ley”.

Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel cuántico. El demonio de Maxwell

ejemplifica cómo puede concebirse un sistema cuántico que rompa las leyes de la Termodinámica.

Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la energía, es la más sólida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora

por las ciencias.

Sistema y ambienteEn el estudio de la Termodinámica la atención está

dirigida al interior de un sistema, aunque se adopte un punto de vista macroscópico, sólo se consideran

aquellas magnitudes de este tipo que tienen relación con el estado interno del sistema. Para poder entender

las magnitudes involucradas en este tema, se hace necesario definir los conceptos de sistema y estado de

un sistema.

SistemaSe puede definir un sistema como un conjunto de

materia, que está limitado por una superficie, que le pone el observador, real o imaginaria. Si en el sistema

no entra ni sale materia, se dice que se trata de un sistema cerrado, o sistema aislado si no hay

intercambio de materia y energía, dependiendo del caso. En la naturaleza, encontrar un sistema

estrictamente aislado es, por lo que sabemos, imposible, pero podemos hacer aproximaciones. Un

sistema del que sale y/o entra materia, recibe el nombre de abierto. Ponemos unos ejemplos:

Un sistema abierto: es cuando existe un intercambio de masa y de energía con los alrededores; es por ejemplo, un coche. Le echamos combustible y él desprende diferentes

gases y calor. Un sistema cerrado: es cuando no existe un intercambio de

masa con el medio circundante, sólo se puede dar un intercambio de energía; un reloj de cuerda, no

introducimos ni sacamos materia de él. Solo precisa un aporte de energía que emplea para medir el tiempo.

Un sistema aislado:es cuando no existe el intercambio ni de masa y energía con los alrededores; ¿Cómo encontrarlo si no podemos interactuar con él?. Sin embargo un termo lleno de comida caliente es una aproximación, ya que el envase no permite el intercambio de materia e intenta

impedir que la energía (calor)salga de él.

Medio externoSe llama medio externo o ambiente a todo aquello

que no está en el sistema pero que puede influir en él. Por ejemplo, consideremos una taza con agua, que

está siendo calentada por un mechero. Consideremos un sistema formado por la taza y el agua, entonces el

medio está formado por el mechero, el aire, etc.

Equilibrio térmicoToda sustancia por encima de los 0º Kelvin (-273.15º

Centígrados) emite calor. Si 2 sustancias en contacto se encuentran a diferente temperatura, una de ellas

emitirá más calor y calentará a la más fría. El equilibrio térmico se alcanza cuando ambas emiten, y reciben la misma cantidad de calor, lo que iguala su temperatura.Nota: estrictamente sería la misma cantidad de calor por gramo, ya que una mayor cantidad de sustancia

emite más calor a la misma temperatura.

Variables termodinámicasLas variables que tienen relación con el estado interno de un sistema, se llaman variables termodinámicas o coordenadas termodinámicas, y entre ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son:

la masa el volumen la densidad la presión

la temperatura

Estado de un sistemaUn sistema que puede describirse en función de coordenadas termodinámicas se llama sistema

termodinámico y la situación en la que se encuentra definido por dichas coordenadas se llama estado del

sistema.

Equilibrio térmicoUn estado en el cual dos coordenadas termodinámicas independientes X e Y permanecen constantes mientras no se modifican las condiciones externas se dice que se

encuentra en equilibrio térmico. Si dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico se dice que tienen la

misma temperatura. Entonces se puede definir la temperatura como una propiedad que permite determinar si un sistema se encuentra o no en

equilibrio térmico con otro sistema. El equilibrio térmico se presenta cuando dos cuerpos con

temperaturas diferentes se ponen en contacto, y el que tiene mayor temperatura cede calor al que tiene más

baja, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura.

Algunas definiciones útiles en termodinámica son las siguientes.

Foco térmicoUn foco térmico es un sistema que puede entregar y/o

recibir calor, pero sin cambiar su temperatura.Contacto térmico

Se dice que dos sistema están en contacto térmico cuando puede haber transferencia de calor de un

sistema a otro.

Procesos termodinámicosSe dice que un sistema pasa por un proceso

termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al menos una de las coordenadas

termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son:

Procesos isotérmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia.

Procesos isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varía.

Procesos isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante.

Procesos adiabáticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.

Por ejemplo, dentro de un termo donde se colocan agua caliente y cubos de hielo, ocurre un Proceso adiabático, ya que el agua caliente se empezará a

enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezará a derretir hasta que ambos estén en

equilibrio térmico, sin embargo no hubo transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se

trata de un proceso adiabático.

Rendimiento termodinámico o eficienciaUn concepto importante en la ingeniería térmica es el

de rendimiento. El rendimiento de una máquina térmica se define como:

donde, dependiendo del tipo de máquina térmica, estas energías serán el calor o el trabajo que se transfieran en

determinados subsistemas de la máquina.

Teorema de CarnotNicolas Léonard Sadi Carnot en 1824 demostró que el rendimiento de alguna máquina térmica que tuviese la máxima eficiencia posible (a las que en la actualidad se

denotan con su nombre) y que operase entre dos termostatos (focos con temperatura constante),

dependería sólo de las temperaturas de dichos focos. Por ejemplo, el rendimiento para un motor térmico de

Carnot viene dado por:

donde Tc y Tf son las temperaturas del termostato caliente y del termostato frío, respectivamente,

medidas en Kelvin.Este rendimiento máximo es el correspondiente al de una máquina térmica reversible, la cual es sólo una idealización, por lo que cualquier máquina térmica

construida tendrá un rendimiento menor que el de una máquina reversible operando entre los mismos focos.

Motores y bombas térmicas Se definen los motores térmicos como los dispositivos que producen

trabajo mediante un proceso de intercambio de calor entre dos recipientes, no obstante el cual permanece sin cambios.