Termodinámica
Definición
La termodinámica es la rama de la física relacionada con el calor y la temperatura y su relación con la energía y el trabajo. El comportamiento de estas cantidades se rige por las cuatro leyes de la termodinámica, independientemente de la composición o propiedades específicas del material o sistema en cuestión. Las leyes de la termodinámica se explican en términos de componentes macroscópicos por la mecánica estadística. La termodinámica se aplica a una amplia variedad de temas en ciencia e ingeniería, especialmente química física, ingeniería química e ingeniería mecánica.
Históricamente, la termodinámica se desarrolló por el deseo de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor, particularmente a través del físico francés Nicolas Léonard Sadi Carnot (1824) que creía que la eficiencia del motor era la clave que podría ayudar a Francia a ganar las Guerras Napoleónicas. El físico escocés Lord Kelvin fue el primero en formular una definición concisa de la termodinámica en 1854 que decía: "La termodinámica es el sujeto de la relación del calor con las fuerzas que actúan entre las partes contiguas de los cuerpos y la relación del calor con la acción eléctrica".
La aplicación inicial de la termodinámica a los motores térmicos mecánicos se extendió desde el principio al estudio de compuestos químicos y reacciones químicas. La termodinámica química estudia la naturaleza del papel de la entropía en el proceso de reacciones químicas y ha proporcionado el grueso de la expansión y el conocimiento del campo. Otras formulaciones de la termodinámica surgieron en las siguientes décadas. La termodinámica estadística, o la mecánica estadística, se ocupaba de las predicciones estadísticas del movimiento colectivo de partículas a partir de su comportamiento microscópico. En 1909, Constantin Carathéodory presentó una aproximación puramente matemática al campo en su formulación axiomática de la termodinámica, una descripción a menudo llamada termodinámica geométrica .
Contenido
- Introducción
- Historia
- Etimología
- Ramas de la termodinámica
- Termodinámica clásica
- Mecánica estadística
- Termodinámica química
- Termodinámica de equilibrio
- Leyes de la termodinámica
- Modelos de sistema
- Estados y procesos
- Instrumentación
- Variables conjugadas
- Potenciales
- Campos aplicados
- Listas y líneas de tiempo
- Wikilibros
Introducción
Una descripción de cualquier sistema termodinámico emplea las cuatro leyes de la termodinámica que forman una base axiomática. La primera ley especifica que la energía puede intercambiarse entre sistemas físicos como calor y trabajo. La segunda ley define la existencia de una cantidad llamada entropía, que describe la dirección, termodinámicamente, que un sistema puede evolucionar y cuantifica el estado de orden de un sistema y que puede usarse para cuantificar el trabajo útil que puede extraerse del sistema. .
En termodinámica, las interacciones entre grandes conjuntos de objetos se estudian y categorizan. Son fundamentales para esto los conceptos del sistema termodinámico y su entorno . Un sistema está compuesto de partículas, cuyos movimientos promedio definen sus propiedades, y esas propiedades a su vez están relacionadas entre sí a través de ecuaciones de estado. Las propiedades se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos, que son útiles para determinar las condiciones para el equilibrio y los procesos espontáneos.
Con estas herramientas, la termodinámica puede usarse para describir cómo los sistemas responden a los cambios en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de temas en ciencia e ingeniería, como motores, transiciones de fase, reacciones químicas, fenómenos de transporte e incluso agujeros negros. Los resultados de la termodinámica son esenciales para otros campos de la física y para la química, la ingeniería química, la ingeniería aeroespacial, la ingeniería mecánica, la biología celular, la ingeniería biomédica, la ciencia de materiales y la economía, por nombrar algunos.
Este artículo se centra principalmente en la termodinámica clásica que estudia principalmente sistemas en equilibrio termodinámico. La termodinámica no en equilibrio a menudo se trata como una extensión del tratamiento clásico, pero la mecánica estadística ha traído muchos avances a ese campo.
Historia
La historia de la termodinámica como disciplina científica generalmente comienza con Otto von Guericke que, en 1650, construyó y diseñó la primera bomba de vacío del mundo y demostró un vacío utilizando sus hemisferios de Magdeburgo. Guericke fue impulsado a hacer un vacío para refutar la suposición largamente sostenida de Aristóteles de que "la naturaleza aborrece el vacío". Poco después de Guericke, el físico y químico inglés Robert Boyle se enteró de los diseños de Guericke y, en 1656, en coordinación con el científico inglés Robert Hooke, construyó una bomba de aire. Usando esta bomba, Boyle y Hooke notaron una correlación entre presión, temperatura y volumen. Con el tiempo, se formuló la Ley de Boyle, que establece que la presión y el volumen son inversamente proporcionales. Luego, en 1679, basándose en estos conceptos, un asociado de Boyle '
Los diseños posteriores implementaron una válvula de liberación de vapor que evitó que la máquina explotara. Al observar cómo la válvula se movía rítmicamente hacia arriba y hacia abajo, Papin concibió la idea de un pistón y un motor de cilindro. Sin embargo, no siguió con su diseño. Sin embargo, en 1697, basándose en los diseños de Papin, el ingeniero Thomas Savery construyó el primer motor, seguido por Thomas Newcomen en 1712. Aunque estos primeros motores eran toscos e ineficientes, atrajeron la atención de los principales científicos de la época.
Los conceptos fundamentales de la capacidad de calor y el calor latente, que eran necesarios para el desarrollo de la termodinámica, fueron desarrollados por el profesor Joseph Black de la Universidad de Glasgow, donde James Watt trabajó como fabricante de instrumentos. Black y Watt realizaron experimentos juntos, pero fue Watt quien concibió la idea del condensador externo que resultó en un gran aumento en la eficiencia del motor de vapor. Basándose en todo el trabajo anterior, Sadi Carnot, el "padre de la termodinámica", publicó Reflections on the Motive Power of Fire (1824), un discurso sobre el calor, el poder, la energía y la eficiencia del motor. El libro describió las relaciones energéticas básicas entre el motor de Carnot, el ciclo de Carnot y el poder motriz. Marcó el comienzo de la termodinámica como una ciencia moderna.
El primer libro de texto termodinámico fue escrito en 1859 por William Rankine, originalmente formado como físico y profesor de ingeniería civil y mecánica en la Universidad de Glasgow. La primera y la segunda leyes de la termodinámica surgieron simultáneamente en la década de 1850, principalmente a partir de las obras de William Rankine, Rudolf Clausius y William Thomson (Lord Kelvin).
Los fundamentos de la termodinámica estadística fueron establecidos por físicos como James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius y J. Willard Gibbs.
Durante los años 1873-76, el físico matemático estadounidense Josiah Willard Gibbs publicó una serie de tres artículos, el más famoso sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas , en el que mostraba cómo los procesos termodinámicos, incluidas las reacciones químicas, podían analizarse gráficamente, mediante el estudio la energía, la entropía, el volumen, la temperatura y la presión del sistema termodinámico de tal manera, uno puede determinar si un proceso ocurrirá espontáneamente. También Pierre Duhem escribió en el siglo XIX sobre la termodinámica química. Durante principios del siglo XX, los químicos como Gilbert N. Lewis, Merle Randall y EA Guggenheim aplicaron los métodos matemáticos de Gibbs al análisis de los procesos químicos.
Etimología
La etimología de la termodinámica tiene una historia intrincada. Primero se deletreó en forma de guión como un adjetivo ( termodinámico ) y desde 1854 hasta 1868 como el sustantivo termodinámica para representar la ciencia de los motores de calor generalizados.
El biofísico estadounidense Donald Haynie afirma que la termodinámica se acuñó en 1840 a partir de la raíz griega θέρμη therme, que significa calor y δύναμις dynamis, que significa poder. Sin embargo, esta etimología ha sido citada como poco probable.
Pierre Perrot afirma que el término termodinámica fue acuñado por James Joule en 1858 para designar la ciencia de las relaciones entre calor y poder; sin embargo, Joule nunca utilizó ese término, sino que usó el término motor termodinámico perfecto en referencia a la fraseología de Thomson de 1849.
Hacia 1858, la termodinámica , como un término funcional, se usó en el artículo de William Thomson "Una cuenta de la teoría de Carnot del poder motivador del calor".
Ramas de la termodinámica
El estudio de los sistemas termodinámicos se ha desarrollado en varias ramas relacionadas, cada una usando un modelo fundamental diferente como base teórica o experimental, o aplicando los principios a diferentes tipos de sistemas.
Termodinámica clásica
La termodinámica clásica es la descripción de los estados de los sistemas termodinámicos en el equilibrio cercano, que utiliza propiedades medibles macroscópicas. Se usa para modelar intercambios de energía, trabajo y calor basados en las leyes de la termodinámica. El clasificador clásico refleja el hecho de que representa el primer nivel de comprensión del tema tal como se desarrolló en el siglo XIX y describe los cambios de un sistema en términos de parámetros macroscópicos empíricos (a gran escala y mensurables). Una interpretación microscópica de estos conceptos fue proporcionada más tarde por el desarrollo de la mecánica estadística .
Mecánica estadística
La mecánica estadística, también llamada termodinámica estadística, surgió con el desarrollo de teorías atómicas y moleculares a fines del siglo XIX y principios del siglo XX, y complementó la termodinámica clásica con una interpretación de las interacciones microscópicas entre partículas individuales o estados mecánicos cuánticos. Este campo relaciona las propiedades microscópicas de átomos y moléculas individuales con las propiedades macroscópicas y masivas de los materiales que se pueden observar a escala humana, explicando así la termodinámica clásica como resultado natural de las estadísticas, la mecánica clásica y la teoría cuántica a nivel microscópico.
Termodinámica química
La termodinámica química es el estudio de la interrelación de la energía con las reacciones químicas o con un cambio de estado físico dentro de los límites de las leyes de la termodinámica.
Termodinámica de equilibrio
La termodinámica de equilibrio es el estudio sistemático de las transformaciones de la materia y la energía en los sistemas a medida que se aproximan al equilibrio. La palabra equilibrio implica un estado de equilibrio. En un estado de equilibrio, no existen potenciales desequilibrados o fuerzas motrices dentro del sistema. Un objetivo central en la termodinámica de equilibrio es: dado un sistema en un estado inicial bien definido, sujeto a restricciones especificadas con precisión, para calcular cuál será el estado del sistema una vez que haya alcanzado el equilibrio.
La termodinámica no equilibrada es una rama de la termodinámica que se ocupa de sistemas que no están en equilibrio termodinámico. La mayoría de los sistemas que se encuentran en la naturaleza no están en equilibrio termodinámico porque no están en estados estacionarios, y están continuamente y de forma discontinua sujetos al flujo de materia y energía hacia y desde otros sistemas. El estudio termodinámico de los sistemas de no equilibrio requiere conceptos más generales que los que trata la termodinámica de equilibrio. Muchos sistemas naturales todavía hoy quedan fuera del alcance de los métodos termodinámicos macroscópicos actualmente conocidos.
Leyes de la termodinámica
La termodinámica se basa principalmente en un conjunto de cuatro leyes que son universalmente válidas cuando se aplican a sistemas que caen dentro de las restricciones implícitas en cada uno. En las diversas descripciones teóricas de la termodinámica, estas leyes pueden expresarse en formas aparentemente diferentes, pero las formulaciones más destacadas son las siguientes:
- Ley zeroth de termodinámica: si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, también están en equilibrio térmico entre sí.
Esta afirmación implica que el equilibrio térmico es una relación de equivalencia en el conjunto de sistemas termodinámicos considerados. Se dice que los sistemas están en equilibrio si los intercambios pequeños y aleatorios entre ellos (por ejemplo, el movimiento browniano) no conducen a un cambio neto en la energía. Esta ley se asume tácitamente en cada medición de temperatura. Por lo tanto, si uno trata de decidir si dos cuerpos están a la misma temperatura, no es necesario ponerlos en contacto y medir los cambios de sus propiedades observables en el tiempo. La ley proporciona una definición empírica de temperatura y justificación para la construcción de termómetros prácticos.
La ley zeroth no fue inicialmente reconocida como una ley, ya que su base en el equilibrio termodinámico estaba implícita en las otras leyes. La primera, la segunda y la tercera leyes habían sido declaradas explícitamente con anterioridad y encontraron una aceptación común en la comunidad de la física. Una vez que se realizó la importancia de la ley zeroth para la definición de la temperatura, era impracticable volver a numerar las otras leyes, de ahí que se numeara la ley zeroth .
- Primera ley de la termodinámica: la energía interna de un sistema aislado es constante.
La primera ley de la termodinámica es una expresión del principio de conservación de la energía. Establece que la energía puede ser transformada (cambiada de una forma a otra), pero no puede ser creada o destruida.
La primera ley generalmente se formula diciendo que el cambio en la energía interna de un sistema termodinámico cerrado es igual a la diferencia entre el calor suministrado al sistema y la cantidad de trabajo realizado por el sistema en su entorno. Es importante tener en cuenta que la energía interna es un estado del sistema (véase el estado termodinámico), mientras que el calor y el trabajo modifican el estado del sistema. En otras palabras, se puede lograr un cambio en la energía interna de un sistema mediante cualquier combinación de calor y trabajo agregado o eliminado del sistema, siempre y cuando estos totalicen el cambio de energía interna. La manera en que un sistema logra su energía interna es independiente del camino.
- Segunda ley de la termodinámica: el calor no puede fluir espontáneamente desde un lugar más frío a un lugar más cálido.
La segunda ley de la termodinámica es una expresión del principio universal de la decadencia observable en la naturaleza. La segunda ley es una observación del hecho de que, con el tiempo, las diferencias de temperatura, presión y potencial químico tienden a equilibrarse en un sistema físico aislado del mundo exterior. La entropía es una medida de cuánto ha progresado este proceso. La entropía de un sistema aislado que no está en equilibrio tenderá a aumentar con el tiempo, acercándose a un valor máximo en equilibrio. Sin embargo, los principios que guían a los sistemas que están lejos del equilibrio aún son discutibles. Uno de esos principios es el principio de máxima producción de entropía. Establece que los sistemas que no están en equilibrio se comportan de tal manera que maximizan su producción de entropía.
En la termodinámica clásica, la segunda ley es un postulado básico aplicable a cualquier sistema que involucre la transferencia de energía térmica; en termodinámica estadística, la segunda ley es una consecuencia de la aleatoriedad supuesta del caos molecular. Hay muchas versiones de la segunda ley, pero todas tienen el mismo efecto, que es explicar el fenómeno de la irreversibilidad en la naturaleza.
- Tercera ley de la termodinámica: cuando un sistema se acerca al cero absoluto, todos los procesos cesan y la entropía del sistema se aproxima a un valor mínimo.
La tercera ley de la termodinámica es una ley estadística de la naturaleza con respecto a la entropía y la imposibilidad de alcanzar el cero absoluto de la temperatura. Esta ley proporciona un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. La entropía determinada en relación con este punto es la entropía absoluta. Las definiciones alternativas son, "la entropía de todos los sistemas y de todos los estados de un sistema es menor en el cero absoluto", o equivalentemente "es imposible alcanzar el cero absoluto de temperatura por cualquier número finito de procesos".
El cero absoluto, en el cual toda actividad se detendría si fuera posible, es -273.15 ° C (grados Celsius), o -459.67 ° F (grados Fahrenheit), o 0 K (kelvin), o 0 ° R (grados Rankine) )
Modelos de sistema
Un concepto importante en termodinámica es el sistema termodinámico, que es una región precisamente definida del universo en estudio. Todo en el universo, excepto el sistema, se llama entorno . Un sistema está separado del resto del universo por un límite que puede ser un límite físico o nocional, pero que por convención define un volumen finito. Los intercambios de trabajo, calor o materia entre el sistema y el entorno tienen lugar a través de este límite.
En la práctica, el límite de un sistema es simplemente una línea de puntos imaginaria dibujada alrededor de un volumen dentro del cual va a haber un cambio en la energía interna de ese volumen. Cualquier cosa que pase a través del límite que efectúa un cambio en la energía interna del sistema debe tenerse en cuenta en la ecuación del balance de energía. El volumen puede ser la región que rodea una energía de resonancia de un solo átomo, tal como Max Planck definido en 1900; puede ser un cuerpo de vapor o aire en una máquina de vapor, como Sadi Carnot, definido en 1824; puede ser el cuerpo de un ciclón tropical, como Kerry Emanuel teorizó en 1986 en el campo de la termodinámica atmosférica; también podría ser un solo nucleido (es decir, un sistema de quarks) como se hipotéticamente en la termodinámica cuántica, o el horizonte de sucesos de un agujero negro.
Los límites son de cuatro tipos: fijo, móvil, real e imaginario. Por ejemplo, en un motor, un límite fijo significa que el pistón está bloqueado en su posición, dentro del cual podría ocurrir un proceso de volumen constante. Si se permite que el pistón se mueva, ese límite se puede mover mientras se fijan los límites del cilindro y la culata. Para sistemas cerrados, los límites son reales, mientras que para los sistemas abiertos, los límites a menudo son imaginarios. En el caso de un motor a reacción, se podría suponer un límite imaginario fijo en la entrada del motor, límites fijos a lo largo de la superficie de la caja y un segundo límite imaginario fijo a través de la boquilla de escape.
Generalmente, la termodinámica distingue tres clases de sistemas, definidos en términos de lo que se permite cruzar sus fronteras:
| Tipo de sistema | Flujo de masa | Trabajo | Calor |
|---|---|---|---|
| Abierto |  | | |
| Cerrado |  | | |
| Térmicamente aislado | | | |
| Mecánicamente aislado | | | |
| Aislado | | | |
A medida que pasa el tiempo en un sistema aislado, las diferencias internas de presiones, densidades y temperaturas tienden a equilibrarse. Se dice que un sistema en el que todos los procesos de ecualización se han completado se encuentra en un estado de equilibrio termodinámico.
Una vez en equilibrio termodinámico, las propiedades de un sistema son, por definición, inmutables en el tiempo. Los sistemas en equilibrio son mucho más simples y fáciles de entender que los sistemas que no están en equilibrio. A menudo, cuando se analiza un proceso termodinámico dinámico, se hace la suposición simplificadora de que cada estado intermedio en el proceso está en equilibrio, produciendo procesos termodinámicos que se desarrollan tan lentamente que cada paso intermedio es un estado de equilibrio y se dice que son procesos reversibles .
Estados y procesos
Cuando un sistema está en equilibrio bajo un conjunto dado de condiciones, se dice que está en un estado termodinámico definido. El estado del sistema puede describirse por una cantidad de cantidades de estado que no dependen del proceso por el cual el sistema llegó a su estado. Se denominan variables intensivas o variables extensas según cómo cambian cuando cambia el tamaño del sistema. Las propiedades del sistema se pueden describir mediante una ecuación de estado que especifica la relación entre estas variables. El estado puede considerarse como la descripción cuantitativa instantánea de un sistema con un número establecido de variables que se mantienen constantes.
Un proceso termodinámico puede definirse como la evolución energética de un sistema termodinámico que se desarrolla desde un estado inicial hasta un estado final. Se puede describir por cantidades de proceso. Típicamente, cada proceso termodinámico se distingue de otros procesos en carácter energético de acuerdo con qué parámetros, tales como temperatura, presión o volumen, etc., se mantienen fijos; Además, es útil agrupar estos procesos en pares, en los que cada variable que se mantiene constante es un miembro de un par conjugado.
Varios procesos termodinámicos comúnmente estudiados son:
- Proceso adiabático: ocurre sin pérdida o ganancia de energía por calor
- Proceso de Isenthalpic: ocurre en una entalpía constante
- Proceso isentrópico: un proceso adiabático reversible, ocurre a una entropía constante
- Proceso isobárico: se produce a presión constante
- Proceso isocórico: se produce a volumen constante (también llamado isométrico / isovolumétrico)
- Proceso isotérmico: se produce a temperatura constante
- Proceso de estado estable: ocurre sin un cambio en la energía interna
Instrumentación
Hay dos tipos de instrumentos termodinámicos, el medidor y el depósito . Un medidor termodinámico es cualquier dispositivo que mide cualquier parámetro de un sistema termodinámico. En algunos casos, el parámetro termodinámico en realidad se define en términos de un instrumento de medición idealizado. Por ejemplo, la ley zeroth establece que si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, también están en equilibrio térmico entre sí. Este principio, como lo señaló James Maxwell en 1872, afirma que es posible medir la temperatura. Un termómetro ideal es una muestra de un gas ideal a presión constante. De la ley de los gases ideales pV = nRT, el volumen de dicha muestra puede usarse como un indicador de temperatura; de esta manera define la temperatura. Aunque la presión se define mecánicamente, también se puede construir un dispositivo de medición de presión, llamado barómetro, a partir de una muestra de un gas ideal mantenido a una temperatura constante. Un calorímetro es un dispositivo que se usa para medir y definir la energía interna de un sistema.
Un depósito termodinámico es un sistema que es tan grande que sus parámetros de estado no se alteran apreciablemente cuando se pone en contacto con el sistema de interés. Cuando el depósito se pone en contacto con el sistema, el sistema se pone en equilibrio con el depósito. Por ejemplo, un depósito de presión es un sistema a una presión particular, que impone esa presión sobre el sistema al que está conectado mecánicamente. La atmósfera de la Tierra se usa a menudo como un depósito de presión. Si el agua del océano se utiliza para enfriar una planta de energía, el océano suele ser un depósito de temperatura en el análisis del ciclo de la central eléctrica.
Variables conjugadas
El concepto central de la termodinámica es el de la energía, la capacidad de hacer el trabajo. Según la Primera Ley, se conserva la energía total de un sistema y su entorno. La energía puede transferirse a un sistema por calentamiento, compresión o adición de materia y extraerse de un sistema mediante enfriamiento, expansión o extracción de materia. En mecánica, por ejemplo, la transferencia de energía es igual al producto de la fuerza aplicada a un cuerpo y el desplazamiento resultante.
Las variables conjugadas son pares de conceptos termodinámicos, siendo el primero similar a una "fuerza" aplicada a algún sistema termodinámico, el segundo es similar al "desplazamiento" resultante, y el producto de los dos equivale a la cantidad de energía transferida. Las variables comunes conjugadas son:
- Presión-volumen (los parámetros mecánicos);
- Temperatura-entropía (parámetros térmicos);
- Número de partículas de potencial químico (parámetros de material).
Potenciales
Los potenciales termodinámicos son diferentes medidas cuantitativas de la energía almacenada en un sistema. Los potenciales se utilizan para medir los cambios de energía en los sistemas a medida que evolucionan de un estado inicial a un estado final. El potencial utilizado depende de las restricciones del sistema, como temperatura o presión constantes. Por ejemplo, las energías de Helmholtz y Gibbs son las energías disponibles en un sistema para hacer un trabajo útil cuando se fijan la temperatura y el volumen o la presión y la temperatura, respectivamente.
Los cinco potenciales más conocidos son:
| Nombre | Símbolo | Fórmula | Variables naturales |
|---|---|---|---|
| Energía interna | |||
| Helmholtz libera energía | |||
| Entalpía | |||
| Energía libre de Gibbs | |||
| Potencial Landau (Gran potencial) | , |
dónde está la temperatura, la entropía, la presión, el volumen, el potencial químico, el número de partículas en el sistema y el recuento de los tipos de partículas en el sistema.
Los potenciales termodinámicos se pueden derivar de la ecuación del balance de energía aplicada a un sistema termodinámico. Otros potenciales termodinámicos también se pueden obtener a través de la transformación de Legendre.
Campos aplicados
- Termodinámica atmosférica
- Termodinámica biológica
- Termodinámica del agujero negro
- Termodinámica química
- Termodinámica clásica
- Termodinámica de equilibrio
- Ecología industrial (re: Exergy)
- Máxima termodinámica de entropía
- Termodinámica no equilibrada
- Filosofía de la física térmica y estadística
- Psicrometría
- Termodinámica cuántica
- Termodinámica estadística
- Termoeconomía