Materia
Sistemas eléctricos.
Tema
Energía termodinamica..
Energía termodinamica.
La termodinamica es una rama de la
física que estudia los efectos de los cambios de magnitudes. Los cambios
estudiados son los de temperatura, presión y volumen, aunque
también estudia cambios en otras magnitudes, tales como la
imanación, el potencial químico, la fuerza electromotriz y el
estudio de los medios continuos en general. También
podemos decir que la termodinamica nace para explicar los procesos de
intercambio de masa y energía térmica entre sistemas
térmicos diferentes. Para tener un mayor manejo especificaremos
que calor significa 'energía en transito' y
dinamica se refiere al 'movimiento', por lo que, en esencia,
la termodinamica estudia la circulación de la energía y
cómo la energía infunde movimiento. Históricamente,
la termodinamica se desarrolló a partir de la necesidad de
aumentar la eficiencia de las primeras maquinas de vapor.
El punto de partida para la mayor parte de las
consideraciones termodinamicas son las leyes de la termodinamica,
que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas en
forma de calor o trabajo. En la termodinamica se estudian y
clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir
conceptos como
sistema termodinamico y su contorno. Un sistema
termodinamico se caracteriza por sus propiedades, relacionadasentre
sí mediante las ecuaciones de estado. Éstas se
pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales
termodinamicos, útiles para determinar las condiciones de
equilibrio entre sistemas y los procesos espontaneos.
La Ley cero
La Ley cero de la termodinamica 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 alcanzaran
la misma temperatura, es decir, tendran ambos la misma temperatura. Si
luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también
alcanzara la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendran
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).
La Primera Ley
La Primera ley de la termodinamica se refiere al concepto de
energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se
realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema
variara. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la
cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la
energía transferida al sistema por medios no mecanicos.
Pensemos que nuestro sistema es un recipiente
metalico con agua; podemos elevar latemperatura del agua por fricción con una cuchara
o por calentamiento directo en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo
un trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor.
Cabe aclarar que la energía interna de un
sistema, el trabajo y el calor no son mas que diferentes manifestaciones
de energía. Es por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que, durante un proceso solamente se
transforma en sus diversas manifestaciones.
Segunda ley de la termodinamica.
El segundo principio de la termodinamica o segunda ley de la
termodinamica 1] expresa que:
Es una de las leyes mas importantes de la física; aún
pudiéndose formular de muchas maneras todas lleva a la
explicación del
concepto de irreversibilidad. Tomando al universo como sistema aislado se puede
concluir que el mismo tiende al desorden; visto desde su forma mas
somera y desde la perspectiva de la entropía clasica, la
entropía mide la cantidad de desorden de la materia y la energía
de un sistema y la cantidad de energía no utilizable del mismo, por
ejemplo, tiene mas entropía el agua en estado gaseoso con sus
moléculas dispersas unas de las otras que la misma en estado
líquido con sus moléculas mas juntas y con mas
orden. La segunda ley de la termodinamica dictamina que si bien, la
materia y la energía no se pueden crear ni destruir si se transforman en
otras cosas que cada vez son mas inútiles para generar trabajo en
un sistema,por ejemplo: en un sistema que pasa de un estado de equilibrio A al
B, la cantidad de Entropía en el estado de equilibrio B sera
maxima (mayor a la del estado de equilibrio A) no obstante, la cantidad
de materia y energía del sistema en ambos estados sera siempre la
misma sin importar el desorden que tengan los mismos lo que pasa es que se han
transformado en otras cosas que cada vez, como en el caso de la energía,
son mas inútiles para realizar trabajo. Así pues el
sistema sólo hace trabajo cuando esta en el transcurso o paso del
estado de equilibrio A al B y no cuando se encuentra en uno de estos estados.
Aplicado el concepto a un fenómeno de la naturaleza como por ejemplo la
vida de las estrellas, las mismas al convertir el Hidrógeno, su
combustible principal, en Helio generan luz y calor entre otros, al fusionar
los núcleos de Hidrógeno en su interior la estrella libera la
energía suficiente para producirlos a esa intensidad, sin embargo,
cuando intenta fusionar los núcleos de Helio no consigue liberar ya la
misma cantidad de energía que obtenía cuando fusionaba los
núcleos de hidrógeno. Cada vez que la estrella fusiona los
núcleos de un elemento obtiene otro que le es
mas inútil para obtener energía y por ende la estrella
muere, y en ese orden de ideas la materia que deja atras ya no
servira para generar otra estrella. Es así como la Segunda ley de
la Termodinamica se ha utilizado para explicar el fin del universo.La
definición formal del segundo principio de la termodinamica
establece que
En un estado de equilibrio, los valores que toman los parametros
característicos de un sistema termodinamico cerrado son tales que
maximizan el valor de una cierta magnitud que esta en función de
dichos parametros, llamada entropía.
La entropía de un sistema es una magnitud
física abstracta que la mecanica estadística identifica
con el grado de desorden molecular interno de un sistema físico. La
termodinamica clasica, en cambio, la define como la
relación entre el calor transmitido y la temperatura a la que se
transmite. La termodinamica axiomatica, en cambio, define a la
entropía como
una cierta función –a priori, de forma desconocida–, que
depende de los llamados 'parametros característicos' del sistema, y que sólo puede definirse para los
estados de equilibrio del
sistema.
Dichos parametros característicos se establecen a partir de un postulado derivado del
primer principio de la termodinamica, llamado a veces el principio de
estado. Según éste, el estado de equilibrio de un
sistema queda totalmente definido por medio de la energía interna del sistema, su volumen
y su composición molar. Cualquier otro parametro
termodinamico, como
podrían serlo la temperatura o la presión, se define como una función
de dichos parametros. Así, la entropía
sera también una función de dichos parametros.
El segundo principio de la termodinamica establece quedicha
entropía sólo puede definirse para estados de equilibrio
termodinamico, y que de entre todos los estados de equilibrio posibles
–que vendran definido por los parametros
característicos–, sólo se puede dar el que, de entre todos
ellos, maximiza la entropía.
Las consecuencias de este enunciado son sutiles: al
considerar un sistema cerrado tendente al equilibrio, los estados de equilibrio
posibles incluyen todos aquellos que sean compatibles con los límites o
contornos del
sistema. Entre ellos se encuentra, evidentemente, el estado
de equilibrio de partida. Si el sistema varía su estado de
equilibrio desde el de partida a otro, ello es debido a que la entropía del nuevo estado es mayor que la
del estado
inicial; si el sistema cambia de estado de equilibrio, su entropía
sólo puede aumentar. Por tanto, la entropía de un
sistema aislado termodinamicamente sólo puede incrementarse.
Suponiendo que el universo partió de un estado de equilibrio, que en todo
instante de tiempo el universo no se aleja demasiado del equilibrio
termodinamico y que el universo es un sistema aislado, el segundo
principio de la termodinamica puede formularse de la siguiente manera;
La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse con el
tiempo.
Sin embargo, la termodinamica axiomatica no reconoce al tiempo como
una variable termodinamica. Formalmente, la
entropía sólo puede definirse para estados en equilibrio.
En el proceso que va deun estado de equilibrio a otro
no hay estados de equilibrio, por lo que la entropía en dichos estados
de no-equilibrio no puede definirse sin incurrir en inconsistencias formales
dentro de la propia termodinamica. Así, la entropía no
puede ser una función del tiempo, por lo que hablar de
variaciones de la misma en el tiempo es formalmente incorrecto.
Cuando se hace, es debido a que se ha presupuesto que en el proceso de un estado de equilibrio a otro se ha pasado por infinitos
estados intermedios de equilibrio, procedimiento que permite introducir al
tiempo como
parametro. En tanto en cuanto el estado de equilibrio final sea
aquél de maxima entropía posible, no se habra
incurrido en una inconsistencia frontal por cuanto dichos estados de equilibrio
intermedios no han afectado al único real (el
final).
La formulación clasica defiende que el cambio en la
entropía S es siempre mayor o igual — exclusivo para procesos
reversibles — que la transferencia de calor Q producida dividido por la
temperatura de equilibrio T del sistema 4]
Descripción general
Suponiendo estados iníciales y finales de equilibrio, el principio
establece que los sistemas físicos saltan de un estado con cierto orden
a un estado menos ordenado, aumentando su entropía. El
proceso inverso es imposible.
El enunciado axiomatico del segundo principio pone inmediatamente de
manifiesto su principal característica: se trata de una de las pocas
leyesontológicas de la Física, en tanto que distingue, de manera
general, aquellos procesos y estados físicos que son posible de aquellos
que no lo son; esto es, el segundo principio permite determinar la posibilidad
de un proceso o estado. De hecho, en un sentido
histórico el segundo principio surgió, en plena Revolución
Industrial en el contexto de las maquinas térmicas como una
explicación empírica de por qué éstas se
comportaban de una manera determinada y no de otra. En efecto, aunque parezca
trivial, siempre se observaba, por ejemplo, que para calentar una caldera era
necesario emplear combustible ardiendo a mayor temperatura que la de la caldera;
sin embargo, jamas se observaba que la caldera se calentara tomando
energía de su entorno, el cual a su vez se enfriaría. De hecho,
podría razonarse que, en virtud del primer principio de la
termodinamica, nada impide que, espontaneamente, sea posible
extraer calor de un cuerpo frío, por ejemplo a 200K, para
transmitírselo a otro caliente, por ejemplo a 1000K: basta con que se
cumpla el balance energético correspondiente, a consecuencia del cual el
cuerpo frío se enfriaría aún mas, y el caliente se
calentaría mas aún. Sin embargo, todo esto es contrario a
toda experiencia; y aunque parezca común y hasta trivial, tenía un extraordinario impacto en las maquinas empleadas
en la Revolución Industrial: por ejemplo, de no haber sido así,
las maquinas podrían funcionar sin necesitarcombustible, pues la
energía necesaria podría transferirse de manera espontanea
del resto del ambiente. Sin embargo, las
maquinas térmicas parecían obedecer una determinada ley,
que se materializó en el segundo principio: para producir trabajo
mecanico, era necesario aportar energía adicional (el
combustible), que a su vez era siempre mayor que la cantidad de trabajo
extraído. El concepto de maquina térmica aparece
así íntimamente ligado al enunciado inicial del segundo
principio.
Una maquina térmica es aquella que provee de
trabajo eficaz gracias a la diferencia de temperaturas entre dos cuerpos.
Dado que cualquier maquina termodinamica requiere una diferencia
de temperatura, se deriva pues que ningún trabajo útil puede
extraerse de un sistema aislado en equilibrio
térmico, esto es, se requerira de la alimentación de
energía del
exterior. Ese principio empírico, extraído de la
observación continua de cómo funciona el universo, constituye uno
de los primeros enunciados del Segundo Principio de la Termodinamica: es
imposible todo proceso cíclico cuyo único resultado sea la
absorción de energía en forma de calor procedente de un foco
térmico (o reservorio o depósito térmico), y la conversión
de toda ésta energía en forma de calor en energía en forma
de trabajo
Tercera ley de la termodinamica.
El tercer principio de la termodinamica o tercera ley de la
termodinamica afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un númerofinito de etapas. Sucintamente, puede
definirse como:
* 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.
Descripción
En términos simples, la tercera ley indica que la entropía de una
sustancia pura en el cero absoluto es cero. Por consiguiente, la tercera
ley provee de un punto de referencia absoluto para la
determinación de la entropía. La entropía relativa a este punto es la entropía absoluta.
Un caso especial se produce en los sistemas con un
único estado fundamental, como
una estructura cristalina. La entropía de un cristal perfecto definida
por el teorema de Nernst es cero (dado que el log(1) =
0). Sin embargo, esto desestima el hecho de que los cristales reales deben
crecer en una temperatura finita y poseer una concentración de
equilibrio por defecto. Cuando se enfrían generalmente
son incapaces de alcanzar la perfección completa. Esto, por
supuesto, se mantiene en la línea de que la
entropía tiende siempre a aumentar dado que ningún proceso real
es reversible.
Otra aplicación de la tercera ley es con respecto al momento
magnético de un material. Los metales
paramagnéticos (con un momento aleatorio) se
ordenaran a medida de que la temperatura se acerque a 0 K. Se
podrían ordenar de manera ferromagnética (todos los momentos
paralelos los unos a los otros) o de manera antiferromagnética.
