TERMODINÁMICA

DEFINICIÓN : TERMODINÁMICA

Es la rama de la física que describe los estados de equilibrio termodinámico a nivel macroscópico.

 La Real Academia Española (RAE) define a la termodinámica como la rama de la física encargada del estudio de la interacción entre el calor y otras manifestaciones de la energía.

Constituye una teoría fenomenológica a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental. 

IMAGEN SOBRE TEORÍA DEL CAOS

Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes, tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden tratarse por medio de la termodinámica.

IMAGEN DE MOVIMIENTO DEL AGUA-VOLUMEN

IMAGEN DE FUERZA ELECTROMOTRIZ 

PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA

PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA

Este principio o ley cero, 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.

En palabras simples: «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». 

Este principio fundamental, aún 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.

Entonces: Si dos sistemas están por separado en equilibrio con un tercero, entonces también deben estar en equilibrio entre ellos.

 Si tres o más sistemas están en contacto térmico y todos juntos en equilibrio, entonces cualquier par está en equilibrio por separado.

Ley cero de la termodinámica y equilibrio térmico, tomado de: https://www.youtube.com/watch?v=q5uqhh-RohI

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este 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.

NICOLAS LÉONARD SADI CARNOT

La ecuación aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico es: 

Dónde:

•  U es la energía interna del sistema (aislado).
•  Q es la cantidad de calor aportado al sistema. 
• W es el trabajo realizado por el sistema.

Esta última expresión es igual de frecuente encontrarla en la forma:

Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia está en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional (revise el criterio de signos termodinámico).

Primer principio de la termodinámica, tomado de : 

https://www.youtube.com/watch?v=_eIHHlFSAhs

SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

En un estado de equilibrio, los valores que toman los parámetros característicos de un sistema termodinámico cerrado son tales que maximizan el valor de una cierta magnitud que está en función de dichos parámetros, llamada entropía.

El segundo principio de la termodinámica establece que dicha entropía sólo puede definirse para estados de equilibrio termodinámico, y que de entre todos los estados de equilibrio posibles –que vendrán definido por los parámetros característicos–, sólo se puede dar el que, de entre todos ellos, maximiza la entropía.

Visualmente, el segundo principio se puede expresar imaginando una caldera de un barco de vapor. Ésta no podría producir trabajo si no fuese porque el vapor se encuentra a temperaturas y presión elevadas comparados con el medio que la rodea.

ILUSTRACIÓN DE LA SEGUNDA LEY MEDIANTE UNA MÁQUINA TÉRMICA

Matemáticamente, se expresa así:

Dónde:

• S es la entropía del sistema termodinámico.
•  El símbolo de igualdad sólo existe cuando la entropía se encuentra en su valor máximo (en equilibrio).

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

1. Enunciado de Clausius: Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.«No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada».
2.  Enunciado de Kelvin-Planck:"Es imposible construir una máquina que, operando cíclicamente, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización equivalente de trabajo".

Segunda ley de la termodinámica, tomado de: https://www.youtube.com/watch?v=y72kDgXSp_A

 

TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

El postulado de Nernst, llamado así por ser propuesto por Walther Nernst, 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.

• Al llegar al cero absoluto, 0 K, cualquier proceso de un sistema físico se detiene.
• Al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y constante.

Con el desarrollo de la mecánica estadística, la tercera ley de la termodinámica (como las otras leyes) pasó de ser una ley fundamental (justificada por experimentos) a una ley derivada (derivada de leyes aún más básicas). La ley básica de la que deriva principalmente es la definición estadístico-mecánica de la entropía de un sistema grande:

Dónde:

• S es la entropía del sistema termodinámico.
• kB es la constante de Boltzmann.
• Ω es el número de microestados consistentes con la configuración macroscópica.

SISTEMA TERMODINÁMICO

Conjunto de materia, que está limitado por unas paredes, reales o imaginarias, impuestas por el observador. 

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:

EQUILIBRIO TÉRMICO

Toda sustancia por encima de los 0 kelvin (-273,15 °C) emite calor. 

Si dos 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.

VARIABLES TERMODINÁMICAS

Las 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:

• El volumen

• La masa

• La densidad

• La presión

• La temperatura

En termodinámica es muy importante estudiar sus propiedades (extensivas e intensivas) las cuáles profundizaremos más adelante.

ESTADO DE UN SISTEMA

Un 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. 

IMAGEN DE PROCESO CUASI-ESTÁTICO

FOCO TÉRMICO

Un foco térmico es un sistema que puede entregar y/o recibir calor, pero sin cambiar su temperatura.

EXPANSIÓN ISOTERMA DE UN GAS IDEAL EN CONTACTO CON UN FOCO. REPRESENTACIÓN EN UN DIAGRAMA P-V: LA PRESIÓN DISMINUYE Y EL VOLUMEN AUMENTA.

CONTACTO TÉRMICO

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

PROCESOS TERMODINÁMICOS

PROCESOS TERMODINÁMICOS

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. Ejemplo: La compresión o expansión de un gas ideal en contacto permanente con un termostato.

• Procesos isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varía. Ejemplo: Agua hirviendo en un recipiente abierto a la atmósfera.

• Procesos isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante. Ejemplo: Sustancia contenida en una olla a presión.

• Procesos adiabáticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna. Ejemplo: La descompresión rápida del émbolo de una jeringa. 

• Procesos isoentrópicos: procesos adiabáticos y reversibles. Procesos en los que la entropía no varía.

Donde δQ es la cantidad de energía que el sistema gana por transferencia de calor, T es la temperatura de la fuente térmica que interviene en el proceso (si el proceso es reversible la temperatura de la fuente térmica será igual a la del sistema), y dS es el cambio en la entropía del sistema en dicho proceso. 

ENTRETENIMIENTO

Actividades para evaluar tus conocimientos sobre procesos termodinámicos.

• Crucigrama: https://www.educaplay.com/es/recursoseducativos/2525913/procesos_termodinamicos.htm

• Sopa de letras: https://www.educaplay.com/es/recursoseducativos/2223391/procesos_termodinamicos.htm
• Ejercicio de relacionar: https://www.educaplay.com/es/recursoseducativos/1280407/leyes_procesos_termodinamicos.htm

RENDIMIENTO TERMODINÁMICO O EFICIENCIA

Un 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 CARNOT

 Nicolas 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 solo de las temperaturas de dichos focos. Por ejemplo, el rendimiento para un motor térmico de Carnot viene dado por:

Donde T_c y T_f 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 solo una idealización, por lo que cualquier máquina térmica construida tendrá un rendimiento menor que el de una máquina reversible operando entre los mismos focos.

DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS

DIAGRAMA PVT

Es la representación en el espacio tridimensional Presión - Volumen específico - Temperatura de los estados posibles de un compuesto químico.

Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua, debiéndose las discontinuidades a los cambios de estado que sufre el compuesto al variarse las condiciones de presión y temperatura, que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y cálculos termodinámicos, principalmente por la relativa sencillez de su medida.

Las superficies delimitan las zonas de existencia de la fase sólida, la fase líquida y la fase gaseosa.

Nótese que para una fase dada P, V y T están relacionados por la ecuación de estado (tal como la ecuación de los gases perfectos o la ley de deformación elástica para los sólidos). 

Existe un cuarto parámetro, n, la cantidad de sustancia, responsable de que no existan zonas prohibidas en el diagrama variando simultáneamente P, V y T.

DIAGRAMA DE FASE

Es la representación entre diferentes estados de la materia, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.

Los diagramas de equilibrio pueden tener diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas. Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material está en fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólido.

Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estados sólido, líquido y gaseoso. Estos puntos tienen cierto interés, ya que representan un invariante y por lo tanto se pueden utilizar para calibrar termómetros.

MAGNITUDES EXTENSIVAS

Una magnitud extensiva es una magnitud que depende de la cantidad de sustancia que tiene el cuerpo o sistema. 

Las magnitudes extensivas son aditivas.

Si consideramos un sistema físico formado por dos partes o subsistemas, el valor total de una magnitud extensiva resulta ser la suma de sus valores en cada una de las dos partes.

Ejemplos: 

MASA

VOLUMEN

Una magnitud intensiva es aquella cuyo valor no depende de la cantidad de materia del sistema. 

Las magnitudes intensivas tiene el mismo valor para un sistema que para cada una de sus partes consideradas como subsistemas.

Ejemplos: 

DENSIDAD

TEMPERATURA

En general, el cociente entre dos magnitudes extensivas da como resultado una magnitud intensiva. Ejemplo: masa dividida por volumen representa densidad.

APLICACIONES DE LA TERMODINÁMICA EN LAS CIENCIAS DE LA SALUD

LEYES DE LA TERMODINÁMICA EN PROCESO METABÓLICOS  

La Termodinámica estadística ofrece una descripción de las propiedades  macroscópicas usando los micro parámetros de un sistema.

Un área importante de aplicación de la termodinámica es en las reacciones moleculares que ocurren en el ADN para su separación de las dos hebras para que se lleve a cabo la transcripción.

Los sistemas biológicos están constituidos básicamente de 4 elementos químicos, hidrógeno (63 %), oxígeno (25.5 %),carbono (9.5 %), y

Nitrógeno (1.4 %). El restante 0.6 % de los átomos que los conforman Provienen de otros 20 elementos químicos esenciales para la vida (hierro, Calcio, fósforo, zinc, potasio, etc.). La abundancia de átomos de hidrógeno y oxígeno en un sistema biológico se ilustra recordando que el 72 % de la masa total del cuerpo humano es agua.

REACCIONES METABÓLICAS: 

Los nutrientes que consumimos son procesados para formar parte de nuestras células, ADN, proteínas, etc. 

Si las reacciones bioquímicas involucradas en este proceso fueran reversibles, si dejamos de comer aunque sea por un período de tiempo relativamente corto, podríamos convertir nuestro ADN nuevamente en las moléculas de comida. Para evitar que esto ocurra nuestro metabolismo está organizado en vías metabólicas.

Estas vías son una serie de reacciones bioquímicas que en su conjunto son irreversibles.

Las reacciones de una vía metabólica ocurren en orden donde los productos de la primera reacción son los reactivos de la siguiente reacción en la vía y así sucesivamente: 

A ⇌ B ⇌ C ⇌ D ⇌ E 

Al menos una de estas reacciones tiene que ser irreversible, ósea: 

A ⇀ B ⇌ C ⇌ D ⇀ E

El control del paso irreversible (es decir A → B) le permite a la célula controlar la vía metabólica entera y, de esta manera, la cantidad de reactivos consumidos y productos formados.

VÍA METABÓLICA EN EL CUERPO HUMANO.

TERMOREGULACIÓN

Es la capacidad que tiene un organismo biológico para modificar su temperatura dentro de ciertos límites, incluso cuando la temperatura circundante es muy diferente

Temperatura promedio en humanos: 36.7 ºC

Ejemplo: El hipotálamo compara la temperatura en el mismo y en la piel con el valor de referencia de 37º C, si la Tº corporal es mayor de 37ºC pone en marcha mecanismos para que disminuya, si es menor, pone en acción mecanismos para que ésta aumente. 

El hipotálamo actúa sobre la temperatura corporal mediante mecanismos múltiples como: sudoración, circulación cutánea, contracción muscular, piloerección, aumento del metabolismo, etc.

TALLER SOBRE TERMODINÁMICA

TALLER

1.  ¿Qué es un sistema en termodinámica, dar ejemplos simples.
2.   Hay tres tipos de sistemas en termodinámica. ¿Cuáles son?
3.  ¿Qué sistema es el aire en un neumático?
4.  ¿Qué sistema es el contenido de una olla a presión a temperatura baja?
5. ¿Qué sistema es el contenido de una olla a presión a temperatura alta?
6. ¿Cuál es la definición física de energía?
7. ¿Qué tipos de energía se consideran principalmente en física?
8. ¿Qué tipos de energía se considera principalmente en química?
9. ¿Cuáles son los procesos termodinámicos?
10. Mencione 5 ejemplos de propiedades extensivas e intensivas.
11. Explique en qué consisten los procesos isotérmicos, isocóricos, isobáricos y adiabáticos y de ejemplos cotidianos donde se evidencien cada uno de ellos.

En dónde:

Q= Calor suministrado

 ΔU= Variación de la energía interna

Wm= Trabajo mecánico 

Teniendo en cuenta la  fórmula anterior resuelva los siguientes ejercicios:

  12. Un sistema al recibir un trabajo de -170 J sufre una variación en su energía interna igual a 80 J. Determinar la cantidad de calor que se transfiere en el proceso y si el sistema recibe o cede calor.

 13. Sobre un sistema se realiza un trabajo de -100 Joules y éste libera -40 calorías hacia los alrededores. ¿Cuál es la variación de la energía interna?

 14. A un gas encerrado en un cilindro hermético, se le suministran 40 calorías, ¿cuál es la variación de su energía interna?

 15. A un sistema formado por un gas encerrado en un cilindro con émbolo, se le suministran 200 calorías y realiza un trabajo de 300 Joules. ¿Cuál es la variación de la energía interna del sistema expresada en Joules?