LEY CERO Y TIPOS DE SISTEMAS TERMODINÁMICOS
La termodinámica basa
sus análisis en algunas leyes: La Ley “cero”, referente al concepto de
temperatura, la Primera Ley de la termodinámica, que nos habla del principio de
conservación de la energía, la Segunda Ley de la termodinámica, que nos define
a la entropía.
Un concepto esencial
de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un
conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un
entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico se puede
describir mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el
volumen, que se conocen como variables de estado.
Es posible
identificar y relacionar entre sí muchas otras variables termodinámicas (como
la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de
dilatación), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y
de su relación con el entorno. Todas estas variables se pueden clasificar en
dos grandes grupos: las variables extensivas, que dependen de la cantidad de
materia del sistema, y las variables intensivas, independientes de la cantidad
de materia.
Cuando un sistema
macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un
proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos
en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza
y los límites de todos los procesos termodinámicos.
La
Ley cero
La Ley cero de la
termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente
temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo
determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán ambos
la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en
contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo tanto, A,
B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto.
De este principio
podemos inducir el de temperatura, la cual es una condición que cada cuerpo
tiene y que el hombre ha aprendido a medir mediante sistemas arbitrarios y
escalas de referencia (escalas termométricas).
Cuando dos cuerpos están en equilibrio
térmico con un tercero se encuentran en equilibrio térmico entre sí.
A fin de explicar el concepto de equilibrio térmico
considere dos bloques de cobre de la misma geometría y peso, aislados de los
alrededores, pero en contacto entre sí. Uno de los bloques está más caliente
que el otro por lo tanto su temperatura es mayor, su resistencia eléctrica y su
volumen también lo son. Al entrar en contacto los dos bloques aislados de sus
alrededores se produce un intercambio(interacción), energética, que puede
observarse a través del decremento de temperatura, volumen y resistencia
eléctrica en el bloque más caliente; al mismo tiempo se lleva a cabo un aumento
de las mismas propiedades en el bloque frío. Cuando todos los cambios
observables cesan, esta interacción la térmica o de calor a terminado y se dice
que ambos bloques han alcanzado el equilibrio térmico.
Observe
que la propiedad denominada temperatura es una medida del nivel energético de
los cuerpos y determina cuando se encuentra en equilibrio térmico con otro
cuerpo o con un sistema.
CUESTIONARIO
- ¿ Cómo se define “sistema” en el texto, y qué diferencias se encuentran con definiciones vistas anteriormente? Explique. ¿Qué términos se utilizan
- 2¿Cómo se describe el estado de un sistema? ¿Qué otras formas o variables hay de medición?
- 3- 3 ¿Cómo se clasifican estas variables de medición? Detalle.
- 4- 4 ¿Cómo se define un “proceso termodinámico?
- 5- 5 - Lea el enunciado de la ley cero y el ejemplo. ¿Por qué de este enunciado, se explica el proceso de medición de temperatura, con un termómetro? Explique.
SISTEMAS TERMODINÁMICOS
Siempre que se utiliza la Termodinámica para estudiar
algo –la atmósfera, el motor de un coche, el Mar Mediterráneo, una taza de
café– es importante delimitar lo que estudiamos y su relación con todo lo
demás. Básicamente, lo que hacemos es dividir conceptualmente el Universo
entero en dos partes: lo que estudiamos y el resto. La parte del Universo en la
que nos estamos fijando es el sistema, y todo el resto del Universo se denomina
entorno (a veces ambiente y otros similares).
Esto puede parecer una obviedad, pero tener claro dónde
empieza y termina nuestro objeto de estudio, y cómo puede intercambiar materia
y energía con el resto del Universo, es esencial: la Termodinámica estudia los flujos de energía y materia entre el
sistema y el entorno, entre partes del sistema, y la conversión de unas formas
de energía en otras.
Un gran número de errores al estudiar cualquier sistema
físico utilizando la Termodinámica se debe a la confusión acerca de una de
estas dos cosas: qué es exactamente lo que estamos estudiando, y cómo puede
interaccionar con su entorno.
Aunque se trata de una abstracción y una simplificación,
los sistemas termodinámicos suelen clasificarse de acuerdo con estas posibles
interacciones con el entorno, que son bastante intuitivas. Vayamos por orden,
desde lo más laxo a lo más restrictivo:
Un sistema abierto es el que puede
intercambiar materia y energía libremente con el entorno. La definición del
sistema, por tanto, no puede basarse en la materia que lo compone, sino en
otras propiedades, como el lugar que ocupa. Un ejemplo práctico puede ser el
estudio de un lago: recibe agua de los arroyos que llegan a él, el agua puede
además evaporarse y salir del lago, caen hojas de los árboles dentro de él, y
gana y pierde energía de múltiples maneras, por ejemplo, recibe energía del
Sol. Si esperamos el tiempo suficiente, el agua que formaba el lago cuando
empezamos a estudiarlo tal vez ni siquiera estará ahí, sino que habrá sido
completamente reemplazada por líquido nuevo: lo que define nuestro sistema no
era el agua, sino el lugar definido por nosotros y limitado de manera
arbitraria.
Los sistemas abiertos
son los más difíciles de estudiar con precisión, ya que predecir el
comportamiento futuro del sistema requiere saber qué va a pasar con el entorno.
Pero, por otro lado, hablando estrictamente, todos los sistemas reales son
abiertos. El resto de clasificaciones son, abstracciones.
Cualquier parte del
Universo puede intercambiar materia y energía con su entorno.
¿Por qué entonces no
dejarlo aquí? Porque los demás tipos de sistemas son muchísimo más fáciles de
atacar teóricamente, y en muchas ocasiones suponer que se cumplen las
restricciones que los definen es una aproximación muy buena.
Un sistema cerrado no puede intercambiar
materia con su entorno, pero sí energía en forma de calor y trabajo –hablaremos
de ambos más en detalle en el futuro, pero seguro que entiendes más o menos lo
que esto significa–. En este caso sí podemos definir el sistema a partir de la
materia que lo compone, como el gas dentro de un globo, por ejemplo. Un sistema
cerrado es una buena aproximación de sistemas reales que intercambien materia
muy rara o lentamente con su entorno en comparación con el tiempo durante el
cual los estudiamos: por ejemplo, una botella cerrada herméticamente.
Finalmente, un sistema aislado es el que no puede
intercambiar absolutamente nada con el entorno. Es, en lo que a nosotros
respecta, un microuniverso en sí mismo. Una buena aproximación de un sistema de
este tipo –hasta donde puede existir– es un termo de calidad excepcional
herméticamente cerrado.
En la realidad, claro
está, el único sistema aislado de verdad, por definición, es el Universo
entero… y, te lo creas o no, es posible aplicar las Leyes de la Termodinámica a
todo el Universo, y extraer a partir de ellas conclusiones interesantes.
Una vez definido el
sistema que vamos a estudiar, podemos modelarlo a través de una serie de
variables, para poder predecir su comportamiento en el futuro. Una vez más, el
estudio completo requeriría una cantidad ingente de variables, pero es posible
abstraer las cosas hasta cierto punto y ceñirnos a unas cuantas que sean
relevantes al tipo de procesos que estudia la Termodinámica, y relativamente
fáciles de estudiar: las variables termodinámicas.
Cuestionario:
A- ¿Qué estudia la termodinámica?
B- ¿En qué partes se divide un estudio termodinámico?
C- ¿Qué errores suelen suceder en los estudios
termodinámicos?
D- ¿Cuáles son los tipos de sistemas más difíciles de
estudiar y por qué?
E- Efectuar un cuadro de síntesis con los distintos tipos de
sistemas.
F- Enumerar las variables termodinámicas mas importantes,
utilizadas en los estudios.
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