TRABAJO DE TERMODINAMICA

UNIDAD 3. Comprender propiedades de la materia y la termodinmica

Primero empezaremos con una breve introduccin de lo que es termodinmica de manera literal. Termodinmica viene del termino griego termo o y quieren decir calor y dnamis que significa fuerza lo cual no da una vaga idea de lo que trata la termodinmica; la termodinmica es una rama de la fsica que estudia la interaccin entre el calor y otras manifestaciones de la energa, esto segn lo dice el Diccionario de la lengua espaola de la Real Academia Espaola; Su estudio se inici en el siglo XVIII y sus principios se fundamentan en fenmenos comprobados experimentalmente. Con la termodinmica se puede estudiar la cantidad de transferencia de calor a medida que un sistema pasa por un proceso de un estado de equilibrio a otro, en ocasiones nos ayudara a saber cunto durar ese proceso. Hay situaciones en las que nos interesa la rapidez o razn de esa transferencia, la cual constituye el tema transferencia de calor que abordare en un tema posterior. Tomando esto como una breve introduccin los temas a los que me dedicare a explicar sern.I. NATURALEZA ATOMICA DE LA MATERIAII. FASES DE LA MATERIA: SOLIDOS, LIQUIDOS, GASES Y PLASMASIII. TEMPERATURA Y CALORIV. TRANSFERENCIA DE CALOR Y CAMBIOS DE FASEV. TERMODINAMICA

3.1 Naturaleza atmica de la materiaEl tomo es algo que une dos materias de la ciencia como lo es la fsica y la qumica; en la qumica la estudian para poder estudiar cmo estn compuestas las cosas que a su vez tienen algo en comn con los bilogos, por otro lado, en fsica, el tomo es algo que los cientficos estudian para conocer su comportamiento (el de los tomos) ya que es algo que a pesar de los muchos avances en ciencia tambin implicara avances en tecnologa y por ende en la humanidad.EL ATOMOEn 1808 John Dalton hizo pblica su teora corpuscular de la materia en donde recoge ideas de los pensadores Leucipo y Demcrito sobre la discontinuidad de la materia y la existencia de partculas indivisibles denominadas tomos; gracias a esto se desarrollaron varias ramas de estudios en ciencia como la electroqumica y descubrieron un gran nmero de elementos qumicos. Williant Gilbert (1544-1603) estudio de forma sistemtica los fenmenos elctricos y magnticos. Este investigador fue el que uso los trminos elctrico y magntico.En 1777, el francs Charles de Coulomb introduce el concepto de carga elctrica, asignando signos + y a las mismas y descubre la ley que explica la atraccin o repulsin entre cargas (ley de Coulomb).En 1820 Davy explico los fenmenos elctricos, asignando a cada tomo dos polos, concentrndose en uno de ellos la electricidad positiva y en el otro la negativa, aplicndose el principio de conservacin de la carga cuando se frotan los cuerpos la carga no se crea simplemente se separa.A finales del siglo XIX se sustituy el modelo atmico de Dalton, basado en la existencia de los tomos como las partculas ms pequeas e invisibles de la materia, por otros modelos en los que los tomos estn formados por partculas ms elementales.Las partculas que integran un tomo son el electrn (con carga negativa), el protn (con carga positiva) y el neutrn (con carga neutra).LA MATERIA EN SU NIVEL ATOMICOOk despus de haber hecho un breve resumen de la composicin del tomo pasaremos a explicar la naturaleza de la materia a nivel atmico.La materia que conocemos hasta el momento los llamamos estados de la materia, dichos estados los podemos encontrar a diario en nuestro da a da, los ms conocidos son los estados slido, lquido y gaseoso, aunque tambin hay otros menos conocidos como lo son el plasma y otro aun menos conocido como lo son el Condensado de Bose-Einstein (aunque este ultimo aun no ha sido comprobado del todo).En la naturaleza podemos encontrar la materia ya sea de forma compuesta o en su forma pura es decir el elemento qumico y en otras ocasiones el humano lo pasa por procesos para extraer el elemento puro o a la inversa combina elementos puros para obtener un compuesto, estos elementos a su vez estn compuestos de molculas y las molculas de tomos y los tomos de quarks (aunque esto es nuevo y faltan experimentos), siendo los tomos los responsables del estado en cmo se encuentra la materia y siendo la energa de estos los que responsables de dicho estado, dicha energa es como ya dije la que determina el estado en que se encuentra la materia, por ejemplo, entre ms sea la energa de los tomos estos se movern o vibraran mas rpido separndose ms unos de otros lo que nos mostrara un cuerpo en estado lquido o gaseoso segn sean las condiciones; y una mente curiosa se preguntara Cmo obtienen la energa los tomos para poder moverse o vibrar con ms fuerza? Y es ah en donde entra la energa que en el caso de la termodinmica, sera el calor el responsable de los cambios de la naturaleza atmica de la materia.3.2 Fases de la materia: slidos, lquidos, gases y plasmasFASES DE LA MATERIAComo ya he explicado la materia puede tener distintas fases, las mas comunes son el solido, el liquido y el gas, y el otro no tanto como el plasma (aunque en realidad es tambin comn en la naturaleza); y aunque dedicare para cada uno de estos estados prrafos por separado, explicare brevemente lo que son las fases de la materia.Las sustancias existen en fases diferentes. Ejemplo de esto es que a temperatura y presin ambiental el cobre es un solido, el mercurio un liquido, y el nitrgeno un gas, pero en condiciones distintas, cada uno podra aparecer en fases diferentes. Aunque son tres las principales (solida, liquida y gaseosa) , una sustancia puede tener varias fases dentro de la principal, cada una con distinta estructura molecular. Por ejemplo, tenemos el carbono existe como grafito o como diamante en la fase solida, el helio tiene dos fases liquidas y el hierro tres fases slidas, como otro ejemplo tenemos que el hielo a grandes presiones tiene siete fases diferentes; cada fase tiene una configuracin molecular distinta.Las fases de la materia son bsicamente las propiedades y el tipo de interaccin que tienen los tomos de dicho cuerpo entre ellos, pues segn sea la fuerza y el tipo de interaccin que tienen los tomos ser el estado en el que se encuentre la materia, siendo las diferentes fases de la materia beneficiosas y necesarias para la vida en el planeta, sin las distintas fases de la materia sera imposible por ejemplo que callera la lluvia para que las plantas crezcan grandes y fuertes con los frutos que usamos como alimento; gracias a personas curiosas nosotros podemos provocar estos cambios de fase siguiendo ciertas reglas y leyes, las cuales nos la proporciona la fsica. Otra situacin algo particular dentro de las fases de la materia es el llamado punto triple.PUNTO TRIPLEComo hemos dicho cada fase es estable solamente en ciertos intervalos de temperatura y presin. La transicin de una fase a otra normalmente se da en equilibrio de fases entre las dos fases y, para una presin dada, esto solo ocurre a una temperatura especfica. Podemos representar estas condiciones en una grfica, llamada grafica de fases.En la siguiente grafica de fases podemos observar lo que acabamos de explicar.En cada punto de esta grafica solo puede existir una fase, pero cuando el punto esta sobre alguna de las lneas entonces se cumplen los factores para que coexistan dos fases de la materia en equilibrio, es decir, en la figura podemos ver que la lnea roja separa a la fase gaseosa de la slida, por lo tanto si se cumplen ciertas condiciones de presin-temperatura y estas estn sobre dicha lnea roja, entonces la fase slida y la gaseosa pueden convivir juntas, de igual manera con la lnea verde que separa la fase solida de la liquida y la azul (liquida-gaseosa). Hay un punto llamado punto triple en donde se juntan las tres lneas que separan las fases, en este punto triple es donde se encuentran las condiciones de persiontemperatura para que las tres fases de la materia puedan estar juntas al mismo tiempo (cabe aclarar que la temperatura y la presin para llegar al punto triple depende del tipo de sustancia de la que se hable ya que no es el mismo valor para todos),de lado izquierdo se puede observar algunos ejemplos de sustancias con la temperatura y presin requeridas para legar al punto triple. Ahora comenzaremos estudiando y conociendo las diferentes fases de la materia.Para empezar daremos una breve introduccin de lo que es el estado slido.

SOLIDO.El estado slido de la materia se refiere al estado una sustancia de energa condensada por prdida de calor, con una densidad relativamente alta, una gran fuerza entre sus partculas que es mayor a la repulsin de sus cargas electromagnticas y una gran resistencia a cambiar su estado de reposo, de forma y volumen definidos cuando no est atrapado.Los slidos se conforman cuando las molculas con mucha energa con fuerte velocidad y oscilacin en estado de fusin pierden calor.Las molculas de los slidos interactan entre s con una fuerza muy grande. Estas interacciones pueden estar organizadas en una estructura cristalina regular llamada monocristalina o policristalina; o no tener una forma definida es decir, amorfos.Si durante la solidificacin la prdida de calor produce un cambio lento en el estado de las partculas, stas se organizarn de forma coherente adoptando una estructura geomtrica o cristalina a nivel molecular lo veramos se explicara de la siguiente forma.

Pero si la solidificacin se da de manera sbita, las partculas se organizarn de forma amorfa, pues no podrn colocarse de forma homognea como en el caso del vidrio.

Los slidos a diferencia de los fluidos (lquidos y gases) no pueden fluir, es decir, que si los ponemos en un tubo horizontal no se mueven, a diferencia de como lo hiciera un fluido; los slidos tienen forma y cuerpo rgido, por lo cual y no se comprimen, si un slido es deformado puede pasar que recupere su forma original o que se rompa en varios fragmentos, las fuerzas que afectan a las molculas del interior de cada solido son diferentes a las fuerzas de afuera (la superficie). Dentro del material, cada molcula est sometida a todas las fuerzas de atraccin posibles con sus molculas vecinas, por lo que se afirma que las partculas dentro de los slidos se encuentran en un estado menor de energa, pero las molculas que se encuentra en la superficie tienen fuerzas netas hacia el interior de la materia y posibilidades de interaccin, por lo que dichas partculas superficiales se encuentran en un estado ms alto de energa.LIQUIDOSEs un fluido y estado de la materia con una densidad y volumen definidos, pero sin una forma particular, ya que puede cambiar fcilmente si es sometido a una fuerza, se miden en unidades de volumen, principalmente en metros cbicos y sus divisiones, particularmente el decmetro, conocido como litro, su volumen est fijado por su temperatura y su presin.Las partculas de un lquido tienen por decirlo de alguna manera mas libertad que las de un slido y menos que la de un gas, esto por la energa en forma de calor que tienen las molculas de dicho fluido, en la imagen de abajo se muestra dicha libertad y podemos ver que no estn tan compactas o juntas como la de los slidos.

Las partculas de un lquido tienen menor energa en forma de calor que en su estado gaseoso lo que les permite unirse con firmeza por electromagnetismo con otras partculas (si son iguales la unin se llamara cohesin y sin son distintas se llamara adhesin) con cierta coherencia en la cercana, sin que dichas uniones sean rgidas y sin formar estructuras en particulares, lo que le permite al lquido adoptar la forma del recipiente que lo contiene. Las fuerzas cohesivas de un lquido dependern de la velocidad en la que ocurre la deformacin de la sustancia. Los lquidos tienen mayor energa que el de sus enlaces con otras partculas, lo que les permite fcilmente vibrar, tener movimiento, deslizarse y separarse de forma libre entre s y entre otras partculas, sin adoptar una forma definida y sin repelerse fuertemente entre s, permitiendo a la sustancia la capacidad de fluir, es decir, la posibilidad de deformarse para pasar por cualquier orificio o agujero sin necesidad de ejercer una tensin mecnica .Esta circunstancia de energa le permite a las partculas de los lquidos generar uniones y romperlas; cuando una molcula de un lquido se separa del resto de las partculas, tiene una alta probabilidad de encontrarse con una partcula del mismo material para volver a unirse.Un dato curioso y que no muchos saben es que la forma de los lquidos es esfrica si sobre ellos no acta ninguna fuerza externa, como ejemplo tenemos la imagen de la derecha en la que se puede observar un poco de agua en el espacio exterior sin que acte la fuerza de gravedad de la tierra sobre ella; al ser sujeto a la fuerza de la gravedad, su forma queda definida por el recipiente que lo contiene.Los lquidos se forman cuando partculas energizadas (de un gas) se consolidan en un espacio determinado, a temperatura y presin constantes, perdiendo energa en forma de calor, e iniciando un proceso de condensacin con la posibilidad de que dichas partculas puedan interactuar entre s por medio de uniones electromagnticas hasta constituir un arreglo o sustancia; como ya habamos dicho anteriormente al igual que los gases, los lquidos fluyen y bajo la accin de la gravedad tambin tomarn la forma del recipiente que los contiene, sin embargo, como sus partculas no se dispersan ni se repelen, no llenan el espacio del recipiente que los contienen sino que conservan una densidad generalmente constante formando una superficie.La tensin superficial tambin permite el fenmeno fsico de mojar, es decir, que las molculas de mayor energa en la superficie se adhieran a otras molculas distintas; otra propiedad que tienen los lquidos es que la tensin superficial permite que un objeto flote elllos aunque sea ms denso que el lquido. Tambin permite la capilaridad, es decir, la capacidad de subir por tubos de dimetros muy pequeos donde la fuerza de cohesin es superada por las fuerzas de adhesin.Como las molculas en un fluido ya estn unidas, es muy difcil comprimirlas, por lo que se dice que los lquidos tienen un volumen constante a menos que sea sometido a temperaturas muy altas. Los lquidos generalmente se dilatan al aumentar su temperatura y pierden volumen cuando se enfran.GASESEs una forma de la materia en el que sus partculas se encuentran en un alto estado deenerga, lo que hace que stas vibren rpidamente, que experimenten una fuerte repulsin entre s, y que tiendan a separarse lomsposible con un desplazamiento vectorial de gran velocidad hacia direcciones aleatorias en la imagen de la derecha podemos ver el comportamiento de las partculas en el estado gaseoso y podemos ver como estn mas separadas que en el estado slido y el lquido.El estado gaseoso, junto con el plasma, es el estadomsabundanteen el universo, demateria slida, debido a que en su gran mayora abundan fundamentalmente el hidrogeno y el helio; las partculas de los gases cambiarn su direccin poraccinde la gravedad, al interactuar con otras partculas, o con campos electromagnticos, u otra forma de energa externa.El estado gaseoso se reconoce como un estado de la materia entre elestado lquido (menores niveles de energa) y el plasma (mayoresniveles de energa). Debido a que las partculas de un gas estn ampliamente separadas entre s y por lo tanto podemos decir que tendrn uniones intermoleculares msdbiles que los lquidos y los slidos.Cuando las partculas de un gas pierden energa en forma decalor, se condensarn o licuefarn pudiendo transformarse en lquidos; por otra parte, si las partculas de un gas aumentan su nivel de energa, al igual que su vibracin, y por esto perdern sus electrones y pasarn al estado de la materia llamado plasma.El comportamiento de los gases vara de acuerdo a la estructura del ncleo sus partculas, su simetra, su tamao, su masa atmica, la cantidad de energa cintica en sus partculas, las caractersticas de carga electromagntica y de su campo electrosttico, as como de sus uniones electromagnticas con otras partculas, aunque esto se aplica en el caso de ser compuestos.Si un gas no est confinado, es decir, que no este contenido en algn recipiente, sus partculas se dispersarn a gran velocidad lo ms posible hacia el espacio (no hasta el infinito) sin una forma definida hasta que pierdan suficiente energa cintica por interaccin con otros campos electromagnticos o colisin con otras partculas, que cambiarn su curso o permitirn su condensacin.Para medir la velocidad de la partcula de gas se sabe que esta es proporcional a su energa en cantidad de calor. La temperatura de un gas se mide en relacin a la energa cintica promedio de sus partculas en movimiento.Por todo lo anterior podemos decir que las propiedades de los gases son:

Las molculas de un gas se encuentran prcticamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos. Las fuerzas gravitatorias y de atraccin entre las molculas son despreciables, en comparacin con la velocidad a que se mueven sus molculas. Los gases ocupan completamente el volumen del recipiente que los contiene. Los gases no tienen forma definida, adoptando la de los recipientes que las contiene. Pueden comprimirse fcilmente, debido a que existen enormes espacios vacos entre unas molculas y otras.

En el caso de los gases podremos mencionar unas leyes que nos hablan de sus cualidades.

LEY DE BOYLE-MARIOTTELa Ley de Boyle-Mariotte (o Ley de Boyle), formulada por Robert Boyle y Edme Mariotte, es una de las leyes de los gases que relaciona el volumen y la presin de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante. La ley dice que a una temperatura constante y para una masa dada de un gas el volumen del gas vara de manera inversamente proporcional a la presin absoluta del recipiente: La presin ejercida por una fuerza fsica es inversamente proporcional al volumen de una masa gaseosa, siempre y cuando su temperatura se mantenga constante.

PV=k(PRESION POR VOLUMEN = CONSTANTE SI LA TEMPERATURA Y LA MASA DEL GAS PERMANECEN CONSTANTES.) LEY DE CHARLESEn 1787, Jack Charles estudi por primera vez la relacin entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presin constante y observ que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas tambin aumentaba y que al enfriar el volumen disminua. Por lo tanto se tienen que:El volumen es directamente proporcional a la temperatura del gas:Si la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta.Si la temperatura del gas disminuye, el volumen disminuyeCuando aumentamos la temperatura del gas las molculas se mueven con ms rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el nmero de choques por unidad de tiempo ser mayor. Es decir se producir un aumento (por un instante) de la presin en el interior del recipiente y aumentar el volumen, es decir, el mbolo se desplazar hacia arriba hasta que la presin se iguale con la exterior.Lo que Charles descubri es que si la cantidad de gas y la presin permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor.Con esto pudo deducir esta pequea ecuacin:V/T=K (el cociente entre el volumen y la temperatura es constante)En un ejemplo que vi hace rato se deca; supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la temperatura cambiar a T2, por lo que con esto podemos describir la siguiente ecuacin que no es mas que otra forma de ver la ley de chales:V1/T1=V2/T2 Esta ley se descubre casi ciento cuarenta aos despus de la de Boyle debido a que cuando Charles la enunci se encontr con el inconveniente de tener que relacionar el volumen con la temperatura Celsius ya que an no exista la escala absoluta de temperatura. LEY DE GAY-LUSSACFue formulada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800, y en ella establece la relacin entre la temperatura y la presin de un gas cuando el volumen es constante; tenemos por la ley de Gay- Lussac que:La presin del gas es directamente proporcional a su temperatura:Si aumentamos la temperatura, aumentar la presin.Si disminuimos la temperatura, disminuir la presin.Al aumentar la temperatura las molculas del gas se mueven ms rpidamente y por tanto aumenta el nmero de choques contra las paredes, es decir aumenta la presin ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar, Gay-Lussac descubri que, en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presin y la temperatura siempre tena el mismo valor por lo que llego a esta ecuacin:P/T=K (el cociente entre la presin y la temperatura es constante)Otra manera de expresar la ley de Gay-Lussac seria:P1/T1 = P2/T2 Lo que quiere decir es que si tenemos tenemos un gas que se encuentra a una presin P1 y a una temperatura T1 al comienzo del experimento y variamos la temperatura hasta un nuevo valor T2, entonces la presin cambiar a P2. LEY GENERAL DE LOS GASESEsta ley es una resultante de la combinacin de las tres leyes anteriores y no dice que:PV/T = KLo que quiere decir es que la presin por el volumen sobre la temperatura es constante, ya que a mayor presin, menor volumen y mayor temperatura y viceversa. LEY DE LOS GASES IDEALESDe la ley general de los gases se obtiene la ley de los gases ideales. Su expresin matemtica es: PV=nRTDe donde P=presin, V=volumen, n=nmero de moles, R=constante universal de los gases ideales y T= temperaturaDe esta ley se deduce que un mol (6,022 x 10^23 tomos o molculas) de gas ideal ocupa siempre un volumen igual a 22,4 litros a 0 C y 1 atmsfera. Tambin se le llama la ecuacin de estado de los gases, ya que solo depende del estado actual en que se encuentre el gas. PLASMASEs el cuarto estado de agregacin de la materia, un estado fluido similar al estado gaseoso pero en el que determinada proporcin de sus partculas estn cargadas elctricamente y no poseen equilibrio electromagntico, por eso son buenos conductores elctricos y sus partculas responden fuertemente a las interacciones electromagnticas de largo alcance.El plasma presenta caractersticas propias que no se dan en los slidos, lquidos o gases, por lo que es considerado otro estado de agregacin de la materia; como el gas, el plasma no tiene una forma o volumen definido, a no ser que est encerrado en un contenedor; pero a diferencia del gas en el que no existen efectos colectivos importantes, el plasma bajo la influencia de un campo magntico puede formar estructuras como filamentos, rayos y capas dobles. Los tomos de este estado se mueven libremente; cuanto ms alta es la temperatura ms rpido se mueven los tomos en el gas, y en el momento de colisionar la velocidad es tan alta que se produce un desprendimiento de electrones.

Calentar un gas puede ionizar sus molculas o tomos (reduciendo o incrementado su nmero de electrones para formar iones), convirtindolo en un plasma. La ionizacin tambin puede ser inducida por otros medios, como la aplicacin de un fuerte campo electromagntico mediante un lser o un generador de microondas. El plasma es el estado de agregacin ms abundante de la naturaleza, y la mayor parte de la materia en el Universo visible se encuentra en estado de plasma.En fsica el plasma tiene aplicaciones en otras rea, por ejemplo, en las descargas de gases, en la fusin termonuclear, en la fsica del espacio, en la astrofsica moderna, en la conversin de energa MHD y propulsin inica entre otros.Puesto que existen plasmas en contextos muy diferentes y con caractersticas diversas, la primera tarea de la fsica del plasma es definir apropiadamente los parmetros que deciden el comportamiento de un plasma.Los principales parmetros son, la neutralidad y especies presentes que nos dice si un plasma es neutro o es no neutro o inestable , la longitud (llamada tambin longitud de Debye o de apantallamiento electromagntico) Tambin la longitud de una onda plasmtica depende del contenido cncavo de su recipiente, el cual influye porque su paralelismo con respecto del eje x sobre la tierra afecta la longitud de dicha onda de espectro electromagntico; la frecuencia del plasma, as como la longitud de Debye proporciona una medida de las longitudes tpicas en un plasma, la frecuencia de plasma describe sus tiempos caractersticos; la temperatura o velocidad trmica, a mayor temperatura, mayor ser la dispersin de velocidades, una medida de tal dispersin es la velocidad cuadrtica media que, en el equilibrio, se denomina tambin velocidad trmica; y el parmetro de plasma el cual indica el nmero medio de partculas contenidas en una esfera cuyo radio es la longitud de Debye conocida tambin como esfera de Debye.

3.3 Temperatura y calor.TEMPERATURA Y EQUILIBRIO TERMICOEl concepto de temperatura se origina en las ideas cualitativas de lo que nosotros conocemos habitualmente como caliente y frio basadas en nuestro sentido del tacto. Un cuerpo que se siente caliente suele tener una temperatura mas alta que un cuerpo similar que se siente frio. Esto es un tanto vago y los sentidos pueden engaarse. Sin embargo muchas propiedades de la materia que podemos medir dependen de la temperatura; como por ejemplo, la longitud de una varilla de metal, la presin de vapor de una caldera, la capacidad de un alambre para conducir corriente elctrica, el color brillante de un objeto muy caliente, entre muchos otros.La temperatura tambin se relaciona con la energa cinetica de las molculas de un material. En general, esta relacin es muy compleja, como para que esto defina a la temperatura. Sin embargo es importante entender que el calor y la temperatura pueden definirse independientemente de cualquier enfoque molecular detallado.Para medir la temperatura de un cuerpo, colocamos un termmetro en contacto con l. Si queremos conocer la temperatura de una taza de caf introducimos el termmetro en el lquido, al interactuar los dos, el termmetro se calienta y el caf se enfra un poco. Una vez que el termmetro se estabiliza leemos la temperatura. El sistema est en una condicin de equilibrio, en la cual la interaccin entre el termmetro y el caf ya no causa un cambio en el sistema. Llamamos equilibrio trmico a dicho estado. LEY CERO DE LA TERMODINAMICALa ley cero de la termodinmica establece que si un cuerpo A se encuentra a la misma temperatura que un cuerpo B y este tiene la misma temperatura que un tercer cuerpo C, entonces, el cuerpo A tendr la misma temperatura que el cuerpo C. Por lo cual estaremos seguros de que tanto el cuerpo A, como el B y C, estarn los tres, en equilibrio trmico. Es decir: los cuerpos A, B y C, tendrn igual temperatura.Otra forma de explicar esto de manera mas corta seria: dos sistemas estn en equilibrio trmico, si y solo si tienen la misma temperatura.TERMOMETROS Y ESCALAS DE TEMPERATURAPara que un termmetro se til necesitamos marcar una escala numerada en la pared de un tubo. Estos nmeros son arbitrarios e histricamente se han usado muchos esquemas diferentes; Los termmetros se ajustan en diferentes escalas; las ms famosas son la escala Fahrenheit, Celsius (tambin llamada centgrada), y la escala absoluta Kelvin.En la actualidad tenemos varios tipo de termmetro como los siguientes:Termmetro de mercurio: Es un tubo de vidrio sellado que contiene un lquido, generalmente mercurio (Hg), o alcohol coloreado, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme. (Fue inventada por Fahrenheit en el 1714)Pirmetros: Son utilizados en fundiciones, fbricas de vdrio, etc. Segun su funcionamiento y existen de varios tipos.Termmetro de lmina bimetlica: Formado por dos lminas de metales de coeficientes de dilatacin muy distintos.Termmetro de gas: Pueden ser a presin o a volumen constante. Este tipo de termmetros son muy exactos y se usan casi siempre para calibracin de otros termmetros.Termmetro de resistencia: Consiste en un alambre de algn metal (Platino) cuya resistencia elctrica cambia cuando vara la temperatura.Termopar: Un termopar es un dispositivo utilizado para medir temperaturas que esta basado en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos.Termistor : Se detecta la temperatura con base a un termistor que vara el valor de su resistencia elctrica en funcin de la temperatura.A continuacin pongo una tabla en donde se muestran las diferentes tipos de conversiones:Si nos damos cuenta al tener una ecuacin y querer encontrar su reciproca lo nico que hacemos es despejar los grados.

Tambin les pongo las comparaciones mas comunes que se hacen entre temperaturas TEMPERATURA C FPunto Ebullicin Agua 100 212Punto Congelacin Agua 0 32Temperatura Corporal Promedio del Cuerpo Humano 37 98.6Temperatura ambiente confortable de 20 a 25 de 68 a 77EXPANSIN TERMICAEs el incremento en el volumen de un material a medida que aumenta su temperatura; por lo general, se expresa como un cambio fraccionario en las medidas por unidad de cambio de temperatura. Cuando el material es slido, la expansin trmica se describe en trminos de cambio de longitud, altura o grosor. Si el material es lquido, por lo general se describe como un cambio de volumen. Debido a que las fuerzas de unin entre tomos y molculas varan de material a material, los coeficientes de expansin son caractersticos de los elementos y compuestos. Los metales ms suaves tienen un coeficiente de expansin (CTE) alto; por otra parte, los materiales ms duros, como el tungsteno, tienen un CTE bajo. La incompatibilidad de CTE entre dos piezas de trabajo puede generar una tensin residual importante en la unin, la cual, al combinarla con la tensin aplicada, puede causar fallas ante una menor resistencia a la traccin.Tambin se puede definir como el efecto ms frecuente producido por cambios de temperatura es un cambio en el tamao. Con pocas excepciones, todas las sustancias incrementan su tamao cuando se eleva la temperatura. Los tomos en un slido se mantienen juntos en un arreglo regular debido a la accin de fuerzas elctricas. A cualquier temperatura los tomos vibran con cierta frecuencia y amplitud.

Como ejemplo tenemos lo siguiente: Experimentalmente se ha encontrado que un incremento en una sola dimensin, por ejemplo, la longitud de una barra, depende de la dimensin original y del cambio de temperatura. Por ejemplo, considere una la barra. La longitud original es L0 y la temperatura inicial es t0. Cuando se calienta a una temperatura t, la nueva longitud de la barra se indica como L. Por tanto, un cambio en la temperatura, t = t t0 produce un cambio de longitud, L = L L0. El cambio de longitud proporcional est dado por L = L0 t (expansin trmica lineal)donde a es la constante de proporcionalidad llamada el coeficiente de dilatacin lineal. Como un incremento en la temperatura no produce el mismo aumento en la longitud en todos los materiales, el coeficiente es una propiedad del material.A continuacin le mostramos una tabla de los coeficientes de dilatacion de algunos materiales.

EXPANCION DE VOLUMENUn aumento de temperatura suele aumentar el volumen de materiales tanto lquidos como slidos. Al igual que en la expansin lineal, se ha visto experimentalmente que si los cambios de temperatura T (tomando como delta) no es muy grande (menos de 100 C), el aumento de volumen V es aproximadamente proporcional al cambio de temperatura T y al volumen inicial V0:V=V0T (expansin trmica de volumen) Y en donde es la constante que caracteriza las propiedades de expansin de volumen de un material dado; llamado coeficiente de expansin volumtrica.A continuacin pondr una pequea tabla de expansin volumtrica:

CANTIDAD DE CALOREl calor es simplemente otra forma de energa que puede medirse nicamente en trminos del efecto que produce. La unidad de energa del SI, el joule, es tambin la unidad preferida para medir el calor, puesto que ste es una forma de energa. Sin embargo, hay tres antiguas unidades que an se conservan. Estas primeras unidades se basaron en la energa trmica requerida para producir un cambio patrn. Son la calora, la kilocalora y la unidad trmica britnica (British thermal unit) o Btu.Una calora (cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius.Una cal).Una unidad trmica britnica (Btu) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra patrn (Ib) de agua en un grado Fahrenheit.Adems del hecho de que estas viejas unidades implican que la energa trmica no se puede relacionar con otras formas de energa, existen otros problemas con su uso. El calor requerido para cambiar la temperatura del agua de 92 a 93C no es exactamente el mismo que el que se necesita para elevar la temperatura de ese lquido de 8 a 9C. Por tanto, es necesario especificar el intervalo de temperatura para la calora y para la unidad trmica britnica en aplicaciones de precisin. Los intervalos elegidos fueron 14.5 a 15.5C y 63 a 64F. Adems, la unidad libra que aparece en la definicin del Btu debe ser reconocida como la masa de la libra patrn. Esto representa el abandono de las unidades del SUEU, ya que en ese sistema la libra qued reservada para expresar el peso. Esta distincin es necesaria debido a que la libra de agua debe representar una cantidad constante de materia, independientemente del lugar geogrfico. Por definicin, la libra masa se relaciona con el gramo y el kilogramo en la siguiente forma:1 Ib = 454 g = 0.454 kgEnseguida se muestran unas equivalencias de las unidades de calor:

CALOR ESPECFICOLa capacidad trmica C de una muestra particular se define como la cantidad de energa necesaria para elevar la temperatura de dicha muestra en 1C. A partir de esta definicin, se ve que, si la energa Q produce un cambio T en la temperatura de una muestra, en tal casoQ =C T El calor especfico c de una sustancia es la capacidad trmica por unidad de masa. Por lo tanto, si a una muestra de una sustancia con masa m se le transfiere energa Q y la temperatura de la muestra cambia en T, el calor especfico de la sustancia es

El calor especfico es en esencia una medida de qu tan insensible trmicamente es una sustancia a la adicin de energa. Mientras mayor sea el calor especfico de un material, ms energa se debe agregar a una masa determinada del material para causar un cambio particular de temperatura.En la siguiente tabla puede verlos calores especficos de algunos materiales:

Por lo anterior podemos relacionar la energa Q transferida entre una muestra de masa m de un material y sus alrededores con un cambio de temperatura T como:Q m*c*T3.4 Transferencia de calor y cambio de faseTRANSFERENCIA DE CALOREs un proceso por el que se intercambia energa en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que estn a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante conveccin, radiacin o conduccin. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a travs de la pared de una casa fundamentalmente por conduccin, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por conveccin, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiacin.La conduccin es la transferencia de calor a travs de un objeto slido: es lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque slo la punta est en el fuego. La conveccin transfiere calor por el intercambio de molculas fras y calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque slo su parte inferior est en contacto con la llama. La radiacin es la transferencia de calor por radiacin electromagntica (generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la habitacin.De manera mas corta podemos decir que la transferencia de calor se produce normalmente desde un objeto con alta temperatura, a otro objeto con temperatura ms baja. La transferencia de calor cambia la energa interna de ambos sistemas implicados, de acuerdo con la primera ley de la Termodinmica. CONDUCCIONSi se calienta un extremo de una varilla metlica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo ms fro por conduccin. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conduccin de calor en los slidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energa cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teora explica por qu los buenos conductores elctricos tambin tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemtico francs Joseph Fourier dio una expresin matemtica precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conduccin del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conduccin de calor a travs de un cuerpo por unidad de seccin transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).El factor de proporcionalidad se denomina conductividad trmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades trmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniera resulta necesario conocer la velocidad de conduccin del calor a travs de un slido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren tcnicas matemticas muy complejas, sobre todo si el proceso vara con el tiempo; en este caso, se habla de conduccin trmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analgicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometra complicada.Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola direccin, el calor transmitido es proporcional al rea perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente proporcional al espesor:

De donde: Es el calor transmitido por unidad de tiempo.K es la conductividad trmica.A es el rea de la superficie de contacto.T1-T2 es la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el fro.X es el espesor del material.LEY DE FOURIERLa conduccin trmica est determinada por la ley de Fourier, que establece que el flujo de transferencia de calor por conduccin en un medio istropo es proporcional y de sentido contrario al gradiente de temperatura en esa direccin. De forma vectorial: q=-k Tdonde:q: es el vector de flujo de calor por unidad de superficie (W m-2).k: es una constante de proporcionalidad, llamada conductividad trmica (W m-1 K-1). T: es el gradiente del campo de temperatura en el interior del material ( K m-1).De forma integral, el calor que atraviesa una superficie S por unidad de tiempo viene dado por la expresin: CONVECCIONSi existe una diferencia de temperatura en el interior de un lquido o un gas, es casi seguro que se producir un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado conveccin. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un lquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el lquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido ms caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido ms fro y ms denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina conveccin natural. La conveccin forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecnica de fluidos.En la imagen se muestra como es el proceso de la transferencia de calor por el proceso de conveccin.

Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El lquido ms prximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conduccin a travs de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido ms fro baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulacin. El lquido ms fro vuelve a calentarse por conduccin, mientras que el lquido ms caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiacin y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cmara vertical llena de gas, como la cmara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior que est ms fro desciende, mientras que al aire cercano al panel interior ms caliente asciende, lo que produce un movimiento de circulacin.En la imagen se muestra como es el proceso de la transferencia de calor por el proceso de conveccin.

El calentamiento de una habitacin mediante un radiador no depende tanto de la radiacin como de las corrientes naturales de conveccin, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire fro del resto de la habitacin se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire fro a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea mxima. De la misma forma, la conveccin natural es responsable de la ascensin del agua caliente y el vapor en las calderas de conveccin natural, y del tiro de las chimeneas. La conveccin tambin determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la accin de los vientos, la formacin de nubes, las corrientes ocenicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.

RADIACIONLa radiacin presenta una diferencia fundamental respecto a la conduccin y la conveccin: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vaco. La radiacin es un trmino que se aplica a toda clase de fenmenos relacionados con ondas electromagnticas. Algunos fenmenos de la radiacin pueden describirse mediante la teora de ondas, pero la nica explicacin general satisfactoria de la radiacin electromagntica es la teora cuntica. En 1905, Albert Einstein sugiri que la radiacin presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoelctrico, la radiacin se comporta como minsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuntica de la energa radiante se haba postulado antes de la aparicin del artculo de Einstein, y en 1900 el fsico alemn Max Planck emple la teora cuntica y el formalismo matemtico de la mecnica estadstica para derivar una ley fundamental de la radiacin. La expresin matemtica de esta ley, llamada distribucin de Planck, relaciona la intensidad de la energa radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un mximo de energa radiante. Slo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiacin ajustndose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.En esta imagen se muestra que no es necesario aire o algn medio para la transferencia de calor por radiacin.

ley de Planck La ley de Planck describe la radiacin electromagntica emitida por un cuerpo negro en equilibrio trmico en una temperatura definida. La ley lleva el nombre de Max Planck, quien la propuso originalmente en 1900. Se trata de un resultado pionero de la fsica moderna y la teora cuntica.La intensidad de la radiacin emitida por un cuerpo negro (o radiancia espectral) con una cierta temperatura T y frecuencia viene dada por la ley de Planck:Lo siguiente es un cuadro de lo que significa cada smbolo de la ecuacin Planck

La contribucin de todas las longitudes de onda a la energa radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energa emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos fsicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la temperatura. Segn la ley de Planck, todas las sustancias emiten energa radiante slo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energa emitida. Adems de emitir radiacin, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energa radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lmpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiacin incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben ms calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan ms energa radiante que las superficies mates. Adems, las sustancias que absorben mucha radiacin tambin son buenos emisores; las que reflejan mucha radiacin y absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena absorcin y paredes pulidas para una emisin mnima, con lo que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela.Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiacin. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorcin, reflexin y transmisin de una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiacin incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiacin ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la distribucin de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad mxima de energa radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, llamada as en honor al fsico alemn Wilhelm Wien, es una expresin matemtica de esta observacin, y afirma que la longitud de onda que corresponde a la mxima energa, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrmetros-Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades de transmisin del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La energa radiante del Sol, mxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a travs del vidrio y entra en el invernadero. En cambio, la energa emitida por los cuerpos del interior del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayores, correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a travs del vidrio. As, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho ms alta porque se produce una considerable transferencia de calor neta hacia su interior.Ley de desplazamiento de Wien:La ley de desplazamiento de Wien es una ley de la fsica que establece que hay una relacin inversa entre la longitud de onda en la que se produce el pico de emisin de un cuerpo negro y su temperatura. Matemticamente, la ley es:

Donde T es la temperatura del cuerpo negro en Kelvin (K) y max es la longitud de onda del pico de emisin en metros. La constante c de Wien est dada en Kelvin x metro.Las consecuencias de la ley de Wien es que cuanta mayor sea la temperatura de un cuerpo negro menor es la longitud de onda en la cual emite.

Adems de los procesos de transmisin de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisin de calor tambin puede producir cambios de fase, como la fusin del hielo o la ebullicin del agua. En ingeniera, los procesos de transferencia de calor suelen disearse de forma que aprovechen estos fenmenos. Por ejemplo, las cpsulas espaciales que regresan a la atmsfera de la Tierra a velocidades muy altas estn dotadas de un escudo trmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablacin para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cpsula. La mayora del calor producido por el rozamiento con la atmsfera se emplea en fundir el escudo trmico y no en aumentar la temperatura de la cpsula.CAMBIOS DE FASESe denomina cambio de estado o de fase a la evolucin de la materia entre varios estados de agregacin sin que ocurra un cambio en su composicin. Los tres estados ms estudiados y comunes en la Tierra son el slido, el lquido y el gaseoso; no obstante, el estado de agregacin ms comn en el Universo es el plasma, material del que estn compuestas las estrellas.Fusin: Es el paso de un slido al estado lquido por medio del calor; durante este proceso endotrmico (proceso que absorbe energa para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El "punto de fusin" es la temperatura a la cual el slido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. Dichas molculas se movern en una forma independiente, transformndose en un lquido. Un ejemplo podra ser un hielo derritindose, pues pasa de estado slido al lquido. hay que aclarar que para cada solido el punto de fusin es diferente; enseguida muestro un cuadro en el que hay varios elementos y sus respectivos puntos de fusin.

Solidificacin: Es el paso de un lquido a slido (lo opuesto a la fusin) por medio del enfriamiento; el proceso es exotrmico. El "punto de solidificacin" o de congelacin es la temperatura a la cual el lquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusin si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es tambin especfico.

Vaporizacin y ebullicin: Son los procesos fsicos en los que un lquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del lquido iguala al punto de ebullicin del lquido a esa presin continuar calentndose el lquido, ste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversin del agua en estado lquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas; abajo se muestra otra tabla pero esta vez muestra el punto de ebullicin de las sustancias.

Condensacin: Se denomina condensacin al cambio de estado de la materia que se pasa de forma gaseosa a forma lquida. Es el proceso inverso a la vaporizacin. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado slido de manera directa, el proceso es llamado sublimacin inversa. Si se produce un paso del estado lquido a slido se denomina solidificacin.Sublimacin: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia slida al estado gaseoso sin pasar por el estado lquido. Al proceso inverso se le denomina Sublimacin inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado slido. Un ejemplo clsico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco. Esto pasa cundo la presin a la que es sometida la sustancia est por debajo del punto triple el cual ya explicamos anteriormente.Las fases que corresponden al cambio de gas a plasma y de plasma a gas se llaman ionizacin y desionizacin respectivamenteGas ionizadoUn gas fro est constituido de molculas que a su vez estn formadas de tomos; si se calienta el gas, por ejemplo por interaccin lumnica, las molculas se movern ms rpidamente y chocarn entre s con ms fuerza, hasta que por encima de cierta temperatura vare la molcula, y segn su tipo, sta se rompa y queden tomos dispersos. Estos tomos y sus electrones pueden en este proceso transformar parte de su energa en fotones; por ello un gas caliente brilla. Si se sigue aumentando la temperatura, los tomos empiezan a agitar sus electrones, formando un gas constituido de electrones libres (que emiten fotones constantemente), e iones (tomos con menos electrones que protones); y esto es lo que en parte da lugar a la ionizacin (gas-plasma).3.5 TERMODINAMICA

El principio cero de la termodinmica es una ley fenomenolgica para sistemas que se encuentran en equilibrio trmico. Fue formulado por primera vez en 1931 por Ralph H. Fowler. Constituye una gran importancia experimental (pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema) pero no lo es tanto para la propia estructura de la teora termodinmica.El principio establece que existe una determinada propiedad, denominada temperatura emprica , que es comn para todos los estados de equilibrio que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.Dicho de manera parecida:La temperatura emprica, , es aquella propiedad cuyo valor es el mismo para todos los sistemas que estn en equilibrio trmico entre s.

La formulacin del principio cero de la termodinmica es:F (xA, yA, xC, yC) = 0F (xB, yB, xC, yC) = 0 F (xA, yA, xB, yB) = 0En palabras simples se dira asi se dira asi: Si se pone un objeto con cierta temperatura en contacto con otro a una temperatura distinta, ambos intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan.PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICATambin conocida como principio de conservacin de la energa para la termodinmica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energa interna del sistema cambiar.Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energa necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energa interna. Fue propuesta por Nicolas Lonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las mquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinmica. Esta obra fue incomprendida por los cientficos de su poca, y ms tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemtica, las bases de la termodinmica.La ecuacin general de la conservacin de la energa es la siguiente:Que aplicada a la termodinmica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinmico, queda de la forma:

Donde U es la energa interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

Ms formalmente, este principio se descompone en dos partes;El principio de la accesibilidad adiabticaEl conjunto de los estados de equilibrio a los que puede acceder un sistema termodinmico cerrado es, adiabticamente, un conjunto simplemente conexo.y un principio de conservacin de la energa:El trabajo de la conexin adiabtica entre dos estados de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos estados conectados.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICAEsta ley marca la direccin en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinmicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, dice algo as como que una mancha de tinta dispersada en el agua no puede volver a concentrarse en un pequeo volumen). Tambin establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energa de un tipo a otro sin prdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energa que hipotticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud fsica llamada entropa, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energa con su entorno), la variacin de la entropa siempre debe ser mayor que cero.Debido a esta ley tambin se tiene que el flujo espontneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio trmico.La aplicacin ms conocida es la de las mquinas trmicas, que obtienen trabajo mecnico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero fro. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecnico obtenido.Entre las frases mas conocidas tenemos las siguientes:Clausius:No es posible ningn proceso cuyo nico resultado sea la extraccin de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorcin de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura ms elevada.KelvinPlanck:Es imposible construir una mquina trmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorcin de energa desde un depsito, con la realizacin de una cantidad igual de trabajo. Sera correcto decir que "Es imposible construir una mquina que, operando cclicamente, produzca como nico efecto la extraccin de calor de un foco y la realizacin equivalente de trabajo". Vara con el primero, dado a que en l, se puede deducir que la mquina transforma todo el trabajo en calor, y, que el resto, para otras funciones. Este enunciado afirma la imposibilidad de construir una mquina que convierta todo el calor en trabajo. Siempre es necesario intercambiar calor con un segundo foco (el foco fro), de forma que parte del calor absorbido se expulsa como calor de desecho al ambiente. Ese calor desechado, no pude reutilizarse para aumentar el calor (inicial) producido por el sistema (en este caso la mquina), es a lo que llamamos entropa.TERCERA LEY DE LA TERMODINMICAEs imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un nmero finito de procesos fsicos. Puede formularse tambin como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropa tiende a un valor constante especfico. La entropa de los slidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto.Dicho ms informalmente esto dice que el cero absoluto (es decir, provocar una solides en la que las partculas atmicas no tengan ningn movimiento de energa) es imposible de alcanzar ya que aun en el cero absoluto quedara una energa residual llamada energa del punto cero.Aunque formalmente no se toma como una ley sino que es el postulado de Nernst, llamado as por su autor, Walther Nernst.Walther Nernst(1864-1941)En 1920 gan un premio nobel en la rama de qumica por su trabajo en la termodinmica

PROCESOS TERMODINAMICOSSe dice que un sistema pasa por un proceso termodinmico, o transformacin termodinmica, cuando al menos una de las coordenadas termodinmicas no cambia. Estas son algunas graficas de los procesos termodinmicos

Los procesos ms importantes son:Procesos isotrmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia.Se denomina proceso isotrmico o proceso isotermo al cambio reversible en un sistema termodinmico, siendo dicho cambio a temperatura constante en todo el sistema. La compresin o expansin de un gas ideal puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto trmico con otro sistema de capacidad calorfica muy grande y a la misma temperatura que el gas. este otro sistema se conoce como foco calrico. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energa interna de un gas ideal slo depende de la temperatura y sta permanece constante en la expansin isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas:Es decir: Q = W.Donde Q es el calor del foco, y W es el trabajo realizado por el gas.

Una curva isoterma es una lnea que sobre un diagrama representa los valores sucesivos de las diversas variables de un sistema en un proceso isotermo. Las isotermas de un gas ideal en un diagrama P-V, llamado diagrama de Clapeyron, son hiprbolas equilteras, cuya ecuacin es: PV = constante.Procesos isobricos: son procesos en los cuales la presin no vara.es un proceso termodinmico que ocurre a presin constante. La Primera Ley de la Termodinmica, para este caso, queda expresada como sigue:

Q=calor P= presinU= energa interna V= volumenProcesos iscoros: son procesos en los que el volumen permanece constante.

Es un proceso termodinmico en el cual el volumen permanece constante; V = 0 . Esto implica que el proceso no realiza trabajo presin-volumen, ya que ste se define como:

De donde P es la presin; y como el trabajo es ejercido por el sistema el trabajo es positivo.Procesos adiabticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.Es aquel en el cual el sistema termodinmico (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabtico que es adems reversible se conoce como proceso isentrpico.Procesos diatrmicos: son procesos que dejan pasar el calor fcilmente.Procesos isoentrpicos: procesos adiabticos y reversibles. Procesos en los que la entropa no vara.Por ejemplo, dentro de un termo donde se colocan agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso adiabtico, ya que el agua caliente se empezar a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezar a derretir hasta que ambos estn en equilibrio trmico, sin embargo no hubo transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de un proceso adiabtico.