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).

(Ejemplo)

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
  1.   ¿ Cómo se  define “sistema” en el texto, y qué diferencias se encuentran con definiciones vistas anteriormente? Explique. ¿Qué términos se utilizan
  2. 2¿Cómo se describe el estado de un sistema? ¿Qué otras formas o variables hay de medición?
  3. 3-       3 ¿Cómo se clasifican estas variables de medición? Detalle.
  4. 4-      4  ¿Cómo se define un “proceso termodinámico?
  5. 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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