domingo, 1 de mayo de 2016

La Termodinamica_Módulo 15

Fuente: Contenido en extenso del Módulo 15 Prepa en Linea SEP, https://www.dropbox.com/s/c91lw94vqh9engy/M15_S1.pdf?dl=0


La Termodinámica es una rama de la Física que se encarga de estudiar los fenómenos o cambios que se presentan en los sistemas, cuando intercambian calor y otras formas de energía con su ambiente. Como ciencia, aplica el método científico y por eso al experimentar mide todo lo referente a los fenómenos que ocurren en los sistemas al intercambiar energía con su entorno.

En Física se entiende por sistema una región, sección o pedazo del Universo que aislamos para estudiarlo. El sistema y su medio ambiente están separados por paredes que pueden ser: aislantes (que no permiten el intercambio ni de materia ni de energía) y diatérmica (que no permiten intercambio de calor).

El sistema a estudiar lo escoge y define el observador, por ejemplo un termo, el cuerpo de una persona, una máquina, un bosque, el sistema planetario, una habitación, etc. Todo lo que está fuera del sistema se llama ambiente o entorno. En Termodinámica, estudiar implica medir los valores numéricos de las mediciones de las propiedades del sistema (por ejemplo: masa, volumen, densidad, presión, temperatura, etc.) que conforman el estado del sistema.


Tú mismo eres un sistema físico y puedes medir tus propiedades características como: estatura, peso, temperatura y frecuencia cardíaca; y así conocer tu estado físico.  Al medir las propiedades características de un sistema, se encuentra que algunas son constantes y otras son variables. Una de estas variables es la temperatura, la cual se puede medir con los termómetros.

Si el observador selecciona como sistema una habitación vacía en la que no entró ni salió energía durante varias horas (con puertas y ventanas cerradas), y quiere conocer el estado del sistema, requiere medir algunas de las variables. Por ejemplo, registra la temperatura en el suelo, dejando que un termómetro en contacto con éste llegue al equilibrio; después registra la temperatura en el techo y encuentra que tienen la misma temperatura. Se puede llegar a concluir que: si en el sistema suelo-termómetro se registra una temperatura y en el techo-termómetro se registra la misma temperatura, entonces la temperatura del suelo y la del techo serán iguales. Este mismo resultado se puede obtener con otros sistemas y de aquí se concluye la Ley cero de la Termodinámica, que se enuncia diciendo: Si dos cuerpos A y B (por ejemplo suelo y techo) están en equilibrio térmico y B está en equilibrio con C (por ejemplo, termómetro y techo), entonces A y C (techo-suelo) estarán en equilibrio térmico. Esto se ilustra en los siguientes esquemas. 

Ley primera

Los sistemas termodinámicos que generaron gran interés para las sociedades industriales fueron las máquinas de vapor. Pero al ir avanzando los estudios de estas máquinas se fue destacando lo esencial de ellas y se fueron construyendo modelos simples que las representaran. Así se llegó a la idea de que una máquina térmica se puede estudiar como un sistema simple de un gas encerrado en un cilindro metálico con un pistón o émbolo que puede subir y bajar a lo largo de él.

Si el observador ahora selecciona un sistema de un gas encerrado en un cilindro metálico con un pistón que puede subir (cuando se le calienta) y bajar (cuando se enfría). Al estudiar este sistema se puede medir cuánto calor Q (en joules) entra al gas, el cual produce aumento de volumen ( V ) del gas porque el pistón (que ejerce una presión P) se eleva, es decir, se produce una cantidad de trabajo ( W , también en joules). Pero los joules del trabajo producido son menores que los joules del calor recibido. La diferencia encontrada se ha atribuido a un aumento de las energías de las moléculas del sistema gas y a esto se le ha llamado aumento de la energía interna ( U ) del sistema gas. 


Esto se ha traducido en una ecuación como la siguiente: 
 Q = W + U



Cuando se han hecho mediciones en otros sistemas, se ha verificado que también se cumple y por esto ha llegado a ser la Ley primera de la Termodinámica, que también se puede interpretar como la conservación de energía pues el calor Q de entrada se convierte en trabajo W de salida más el aumento de energía interna del sistema.


 Ley segunda

El sistema que se ha manejado más en la Termodinámica es una simplificación de una máquina que contiene a un gas encerrado en un cilindro cerrado por un pistón que puede subir (cuando se calienta al gas) y bajar (cuando se enfría el gas). El gas puede ser vapor de agua, una mezcla de gasolina y aire, diesel y aire, etc.

En este sistema se ha medido el calor ( Q1 ) que le entrega una fuente que tiene alta temperatura ( T1 ), cuando se pone en contacto con ella. A la división de estas cantidades se le ha llamado entropía ( S1 ) de entrada al sistema. También se ha medido el calor que pierde ( -Q2 ) al ponerse en contacto con una fuente de temperatura baja ( T2 ) y a la división de estas cantidades se le llama entropía de salida ( S2 ), es decir:  
S1 = Q1/T1     y     S2 = Q2/T2

Pero como una fracción del calor ( Q1 ) que recibe la máquina se convierte en trabajo ( W1 ) y otra fracción se libera como calor ( Q2 ), entonces ni los calores ni las temperaturas son iguales y la diferencia entre estas dos entropías siempre es mayor que cero, es decir: 
S2 – S1 ≥ 0

Este resultado se ha interpretado como una de las versiones de la segunda ley de la termodinámica y se enuncia diciendo que: en todos los procesos de máquinas la entropía aumenta, es decir que la entropía final ( S2 ) es mayor o igual que la inicial ( S1 ).

Otra interpretación de esta segunda ley es que no es posible diseñar una máquina que pueda convertir todo el calor de entrada ( Q1 ) en trabajo útil ( W ) hacia el exterior (enunciado de Kelvin-Planck)

Una interpretación más de este principio afirma que no es posible que fluya calor desde un sistema con baja temperatura hacia un entorno de alta temperatura sin introducir trabajo para esto (enunciado de Clausius).