Principios de la termodinámica. Conceptos básicos. Definiciones (Presentación PowerPoint)

La termodinámica clásica puede definirse como el
estudio de las propiedades de sistemas macroscópicos en
equilibrio.

Está sustentada en un pequeño número de
principios básicos denominados leyes de la
termodinámica, las que resultan de inferencias y
generalizaciones de un gran número de experimentos y
observaciones realizados en sistemas macroscópicos.

Se trata de leyes fenomenológicas justificadas por su
acierto en la descripción de los fenómenos
macroscópicos. Prescinde de conceptos atómicos y
describe las propiedades macroscópicas accesibles
experimentalmente, como volumen, presión y
temperatura.

Trataremos a continuación de precisar el significado de
los términos utilizados en esta definición.

Se utilizará la palabra sistema -en las frases sistema
macroscópico o sistema termodinámico- para
significar una porción del universo delimitada por una
superficie matemática cerrada. Esta superficie puede ser
real, como la del recipiente que contiene un líquido o un
gas en estudio, o puede ser ficticia, como ocurre al estudiar el
comportamiento de un elemento de volumen sumergido en un
líquido en equilibrio.

El entorno o alrededores de un sistema es la parte del resto del
universo más cercana a él y con el cual puede
interactuar directamente.

En su relación o interacción con su entorno se
pueden considerar los siguientes casos:

a) Diremos que el sistema está aislado cuando no tiene
interacción alguna con su entorno. Una superficie, pared o
envoltura que impida toda interacción con el entorno,
excepto un desplazamiento o deformación, se
denominará "adiabática".

Se excluyen de toda consideración las fuerzas a distancia.
A este respecto caben dos comentarios. que la envoltura
adiabática se ha definido sin utilizar la palabra calor;
que tal envoltura se puede obtener con gran aproximación
en la práctica por medio de un frasco de Dewar. Sin esto
la termodinámica sería totalmente imposible, ya que
sin este recurso no habría ningún
calorímetro y el mismo calor no se podría
medir.

b) Diremos que el sistema es cerrado cuando no intercambia
materia con su entorno. Una pared o envoltura de este tipo se
denomina diatérmana o diatérmica.

Esta pared sólo determina la imposibilidad de intercambio
de materia, pero permite el intercambio de energía
aún cuando se mantenga rígida. Cuando dos sistemas
están separados por este tipo de pared se dirá que
se encuentran en contacto térmico.

c) Diremos que el sistema es abierto cuando puede intercambiar
materia con su entorno. Una pared o envoltura que lo permite se
denomina permeable.

Desde el punto de vista macroscópico, la
descripción de la condición física de un
sistema se realiza mediante un conjunto de atributos denominados
parámetros o variables termodinámicas, tales como
presión, volumen, temperatura, tensión,
energía, campo eléctrico, etc., que pueden ser
medidos experimentalmente. El estado termodinámico de un
sistema está determinado por el conjunto de valores que
asuman sus variables termodinámicas.

Cuando el estado de un sistema no cambia con el tiempo se dice
que está en equilibrio. En este caso los valores del
conjunto de parámetros termodinámicos permanecen
constantes. El estado de equilibrio de un sistema está
determinado por unas pocas variables termodinámicas. Estas
variables determinan todas las otras variables del sistema. Las
propiedades que sólo dependen del estado del sistema se
denominan funciones de estado.

En particular, el estado de un fluido homogéneo
está totalmente determinado por su masa m, volumen V y
presión p Su temperatura T resulta entonces una
función de estado determinado por estos, es decir  
[1]

La ecuación [1] se denomina la ecuación de estado
de un fluido. Por supuesto, se podría haber elegido otras
variables independientes para especificar el estado de un fluido,
por ejemplo, m, V y T, y expresar p a partir de la
ecuación [1].

En el caso indicado se ha hecho uso de la propiedad
característica de un fluido, es decir, que sus propiedades
termodinámicas son independientes de su forma. Esto hace
de un fluido un sistema muy simple de estudiar. En general,
sistemas más complejos requieren un mayor número de
parámetros para determinar unívocamente un estado y
conducen a una ecuación de estado más
compleja.

Esta forma de describir un sistema no sirve cuando su estado no
sólo depende de los valores instantáneos de ciertos
parámetros, sino además de su historia previa, como
ocurre en el caso de efectos de histéresis que se producen
en materiales ferromagnéticos o en sólidos
deformados plásticamente.

Cuando el estado de un sistema cambia, se dice que ha sufrido una
transformación termodinámica. En particular, si un
sistema pasa de un estado a otro por una sucesión de
estados de equilibrio, se dirá que la
transformación experimentada por dicho sistema es
cuasiestática.

(Un proceso cuasiestático representa una
idealización de la realidad. Para producir cambios reales
debe haber diferencia de presiones, de temperaturas, etc. Pero
haciendo que estas diferencias sean lo suficientemente
pequeñas se puede conseguir que el sistema se encuentre
tan cerca del equilibrio como se desee).

Las variables termodinámicas se pueden clasificar en dos
categorías: intensivas y extensivas.

Se llaman intensivas si no son afectadas al dividir un sistema
termodinámico en equilibrio en subsistemas mediante
paredes diatérmanas que mantienen a su vez cada subsistema
en equilibrio. En consecuencia estas variables resultan
independientes del tamaño o de la masa del sistema
termodinámico.

Ejemplos de variables intensivas: la presión la
temperatura y el potencial químico

Una variable termodinámica se dice extensiva cuando
varía en relación con la extensión o la masa
del sistema. Ejemplos de variables extensivas son: la
energía y la entropía.