Termodinámica
La Termodinámica se ocupa del estudio de sistemas físicos con un número muy grande de partículas, del orden del número de Avogadro. El gran número de grados de libertad implica que la resolución de las ecuaciones del movimiento de todas las partículas es imposible, ya que no solamente tenemos un número inmenso de ecuaciones diferenciales, sino que además, las condiciones iniciales son imposibles de determinar.
Para conocer el estado de un mol de gas perfecto no necesitamos conocer el estado microscópico del sistema, sino magnitudes como la presión, la temperatura y el volumen que describen el sistema desde un punto de vista macroscópico.
Se introduce fenomenológicamente el concepto de temperatura, y se muestra a los estudiantes que muchas propiedades de un cuerpo (longitud, volumen, presión, resistencia eléctrica, etc.) varían con la temperatura. Entonces la temperatura se mide con un aparato llamado termómetro, utilizando una escala de temperatura con puntos de referencia tales como los puntos de congelación y de ebullición del agua a la presión normal de una atmósfera.
El calor se define empíricamente como la energía transferida desde un cuerpo más caliente a otro menos caliente como consecuencia de su diferencia de temperatura. La conducción del calor a lo largo de una barra cuyos extremos se mantienen a una temperatura fija es una situación relevante, que permite establecer con claridad la diferencia entre calor y temperatura y establecer analogías con otras partes de la Física como el establecimiento de una corriente eléctrica, o con los fluidos.
El equilibrio térmico entre dos recipientes que se ponen en contacto inicialmente a distinta temperatura, es otra situación que permite distinguir entre calor y temperatura. La analogía eléctrica o hidraúlica es también importante reseñarla.
El equivalente mecánico del calor también nos permite conectar con otras partes de la Física, en la que una determinada cantidad de energía mecánica, eléctrica o radiación se transforma en calor.
Una vez explicado el concepto de presión y los instrumentos de medida de la presión de un gas, se discutirá y aplicará la ley de los gases ideales, señalando la diferencia con el comportamiento de los gases reales.
Entramos ahora, en lo que es propiamente la Termodinámica, el estudio de los sistemas en equilibrio, compuestos por un número muy grande de partículas. Se establecerá una relación entre calor, energía interna, y trabajo del sistema como un todo. En primer lugar, se recordará los conceptos de energía y trabajo para una partícula, y para un sistema de partículas. La energía interna de un sistema de partículas como suma de la energías cinética de cada una de las partículas y de la suma de la energía potencial de interacción entre pares de partículas. A ésta, se le deben de añadir otros términos (rotacional, vibracional, etc.) si las "partículas" tienen estructura.
Cuando el sistema no está aislado, las fuerzas exteriores pueden variar la energía interna del sistema. Cuando se estudia en detalle el trabajo exterior en un sistema muy grande de partículas estamos efectuando la transición natural de la Mecánica a la Termodinámica. Se separa el trabajo exterior en dos componentes "trabajo mecánico" y "calor".
A este nivel, se puede definir el trabajo como la energía transferida desde los alrededores (o a la inversa) como resultado de un cambio o modificación del volumen del sistema por la acción de las fuerzas exteriores que actúan sobre el mismo. Evidentemente, se excluyen de esta definición sistemas termoeléctricos, termomagnéticos, etc.
El calor se debe definir como la transferencia de energía a través de la frontera (superficie) de un cuerpo (sistema) debida a las colisiones entre las moléculas del cuerpo y del medio cuando las temperaturas del cuerpo y del medio son diferentes. El calor implica multitud de intercambios microscópicos de energía debidos a las colisiones elásticas e inelásticas de las partículas externas con las partículas del sistema.
Queda ahora por definir con precisión los conceptos de equilibrio termodinámico y procesos termodinámicos o transformaciones (reversibles) que llevan al sistema de un estado de equilibrio a otro estado también de equilibrio, distinguiéndolas de las transformaciones irreversibles que es lo que habitualmente observamos en la naturaleza. Se calculará el trabajo, el calor y la variación de energía interna de las transformaciones isócoras, isóbaras, isotermas y adiabáticas. Se interpretará geométricamente el trabajo en una diagrama p-V del proceso.
La entropía es un concepto difícil de comprender para los estudiantes. Tradicionalmente se introduce a partir de la definición de Clausius: el cambio de entropía en una transformación infinitesimal reversible es dS=dQ/T. Es difícil explicar que la entropía es una variable de estado, sin acudir a su definición estadística. El método de dividir el ciclo de Carnot en una serie de ciclos infinitesimales parece artificial y no muy convincente. Sin embargo, es la forma que es introducida en la mayoría de los libros de texto.
El estudio de un ciclo reversible a un gas ideal es un problema completo que nos permitirá hallar:
- Las magnitudes termodinámicas (presión volumen o temperatura) desconocidas a partir de los datos suministrados, aplicando la ecuación del gas ideal y las ecuaciones que describen cada una de las transformaciones.
- El calor, el trabajo, la variación de energía interna y de entropía en cada proceso.
- El calor absorbido, el calor cedido al medio y el trabajo realizado, comprobando el principio de conservación de la energía. Si es posible, se comprobará que el trabajo realizado coincide con el valor numérico del área del ciclo.
- El rendimiento del ciclo.
- Por último, se comprobará que la variación de entropía de un ciclo reversible es cero.
El Segundo Principio de la Termodinámica es mejor introducirlo a través de ejemplos y simulaciones. Diremos que un sistema aislado que no está en equilibrio evoluciona hasta que finalmente alcanza la configuración o estado más probable o estable, compatible con la estructura, fuerzas internas y energía del sistema. Se puede ilustrar con ejemplos y programas de ordenador:
- Cuando dos recipientes iguales que contienen distinto número de partículas se comunican a través de un orificio.
- Cuando dos recipientes a distinta temperatura se ponen en contacto térmico, se alcanza una temperatura de equilibrio.
- Un sistema aislado de muchas partículas que interactúan entre sí, al cabo de un cierto tiempo alcanza el equilibrio, maximizando la entropía.
Objetivos
- Conocer los efectos del calor sobre los cuerpos: dilatación y cambios de estado, diferenciado entre calor y temperatura.
- Relacionar las propiedades macroscópicas de un sistema con las que describen el comportamiento de sus partículas constituyentes.
- Conocer y aplicar el primer y segundo principio de la termodinámica al estudio de los procesos de cuasi-equilibrio o que cambian lentamente.
- Establecer las diferencias entre procesos reversibles e irreversibles en términos de los cambios de entropía.
Contenidos
- Temperatura y Calor.
- Concepto de temperatura.
- Principio cero de la termodinámica.
- Dilatación.
- El concepto de calor y equivalente mecánico del calor.
- Transmisión del calor.
- Cambios de estado.
- Presión ejercida por un gas.
- Ecuación del gas ideal.
- Teoría Cinética de los gases.
- Presión ejercida por un gas.
- Definición cinética de temperatura
- El primer principio de la Termodinámica.
- Estados de equilibrio y su transformación.
- Trabajo realizado por o sobre un sistema de muchas partículas.
- El primer principio de la Termodinámica.
- Aplicaciones del primer principio. Calores específicos.
- Transformación adiabática e isotérmica.
- El segundo principio de la Termodinámica.
- Ciclos térmicos.
- Enunciados del segundo principio.
- La entropía.
- Procesos reversible e irreversibles.
Documentación
Determinación el cero absoluto de temperatura
Experimento de Joule. Equivalente mecánico del calor
Calor latente vaporización del agua
Deducción de la ecuación de la transformación adiabática a partir de un modelo simple de gas ideal
Conceptos básicos de Termodinámica
La entropía en los procesos reversibles (I)
La entropía en los procesos reversibles (II)
Segundo Principio de la Termodinámica
Variaciones de entropía en procesos irreversibles
Actividades
Medida de la presión de vapor del agua a bajas temperaturas
Medida del índice adiabático de un gas (I)
Medida del índice adiabático de un gas (II)
Medida de la presión atmosférica
Medida del índice adiabático del aire por el procedimiento de Clément y Désormes
Transformaciones termodinámicas
Prácticas simuladas
- Determinación del calor específico de un sólido por el método de las mezclas.
- La determinación del equivalente en agua del calorímetro
- La determinación del calor específico del sólido.
La experiencia consta de dos partes:
Lecturas adicionales
Alonso M., Finn E. J. Un enfoque integrado de la Termodinámica en el curso de Física General (Primera parte). Revista Española de Física V-10, nº 2 1996, pp. 25-31.
Alonso M., Finn E. J. Un enfoque integrado de la Termodinámica en el curso de Física General (Segunda parte). Revista Española de Física V-10, nº 3 1996, pp. 30-37
Baierlein R. Entropy and the second law: A pedagogical alternative. American Journal of Physics, 62 (1) January 1994, pp. 15-26.
Edelnán V. Cerca del cero absoluto. Colección Física al alcance de todos, editorial Mir
Lurié D., Wagensberg J. Termodinámica de la evolución biológica. Investigación y Ciencia, nº 30, Marzo 1979, pp. 102-113.
Smorodinski Ya. La temperatura. Colección Física al alcance de todos, editorial Mir (1983).
Wilson S. S. Sadi Carnot. Investigación y Ciencia, nº 61, Octubre 1981, pp. 102-116.
Mellisinos A. C., Lobkowicz. W. B. Physics for Scientist and Engineers. Saunders and Co. (1975). Capítulos 14, 15, 16 y 17.