Conceptos clave de la termodinámica: sistemas, propiedades, presión y temperatura

Termodinámica

Termodinámica: rama fisicoquímica; es una ciencia fenomenológica y experimental que estudia los cambios y las transformaciones de energía asociadas con la materia.

Sistema termodinámico

Sistema termodinámico: parte del universo que se aísla para su estudio.

Pared, límite o frontera

Pared, límite o frontera: es lo que separa al sistema del resto del universo.

Fase

Fase: parte homogénea del sistema, físicamente distinguible y mecánicamente separable; presenta propiedades y características continuas.

Interfase

Interfase: región de contacto entre dos fases.

Componentes

Componentes: número de identidades químicas que forman parte de una fase; se distinguen a través de su estructura química. Los átomos que conforman las moléculas no se consideran componentes.

Clasificación según la interacción con los alrededores

• Abiertos: intercambian materia y energía.
• Cerrados: intercambian energía pero no materia.
• Aislados: no se intercambia ni materia ni energía.

Interacción mecánica

Interacción mecánica:

• Rígidas: mantienen el volumen del sistema (no existen perfectamente rígidas).
• Flexibles (móviles): modifican el volumen del sistema.

Interacción térmica

Interacción térmica:

• Diatérmicas: permiten el paso de calor.
• Adiabáticas: no permiten el paso de calor (no existen perfectas).

Propiedades termodinámicas

Propiedades termodinámicas: conjunto de características macroscópicas que permiten describir un sistema; generalmente se pueden medir experimentalmente (temperatura, volumen, masa, densidad, cantidad de sustancia, etc.). Fuerza, velocidad, aceleración, etc. No son propiedades termodinámicas porque dependen del tiempo.

Clasificación de propiedades

• Medibles:
  • Directas: longitud, masa, temperatura.
  • Indirectas: área, densidad, presión.
• No medibles (directamente): entalpía, energía interna.

Estado termodinámico

Cambio de estado termodinámico: ocurre cuando existe evidencia de que al menos una propiedad termodinámica ha cambiado el valor de su magnitud.

Estado de equilibrio termodinámico: cuando el valor de la magnitud de las propiedades termodinámicas no cambia con el tiempo.

Proceso termodinámico

Proceso termodinámico: cuando el sistema interactúa con los alrededores intercambiando materia y/o energía a través de la pared. Esto causa el cambio de estado tanto en el sistema como en los alrededores.

Trayectoria

Trayectoria: secuencia de pasos que el sistema sigue cuando ocurre un proceso.

Clasificación de procesos

Por su naturaleza: naturales y no naturales.

Por reversibilidad: reversibles y no reversibles.

Por durabilidad: cuasiestáticos y no cuasiestáticos (estos son súbitos, por lo que no se conoce la trayectoria).

Por restricciones de propiedades dentro del sistema:

• Isotérmico (T = cte)
• Isocórico (V = cte)
• Isobárico (P = cte)

Funciones de estado y de trayectoria

Función de estado: están definidas en el estado inicial y en el estado final; se les asocia un valor numérico a su magnitud. No dependen de la trayectoria del proceso (ej.: temperatura).

Función de trayectoria: están definidas solamente cuando ocurre el proceso; su magnitud no está definida únicamente en los estados inicial y final, y se manifiestan físicamente en la frontera entre el sistema y los alrededores como intercambio de energía y/o materia (ej.: calor y trabajo).

Presión

Presión: fuerza ortogonal aplicada sobre una superficie; es escalar, es función de estado, y es una propiedad mecánica e intensiva.

Tipos de presión

• Presión atmosférica (P_atm): presión ejercida por la atmósfera sobre la superficie terrestre. (P_atm > 0). Depende de la temperatura ambiente, altura respecto al nivel del mar, humedad relativa y época del año.
• Presión fluidostática: presión que ejerce un fluido estático (líquido o gas) en el fondo de una columna; si es agua se llamará presión hidrostática.
• Presión absoluta (P_abs): presión dentro de un sistema que ejercen las moléculas del fluido en su interior; se mide con respecto al vacío absoluto (P_abs ≥ 0).
• Presión manométrica: diferencia de presión entre la absoluta y la atmosférica local. (P_manométrica = P_abs - P_atm).
• Presión parcial: presión ejercida por cada componente de una mezcla gaseosa de comportamiento ideal a temperatura constante.

Manómetro: dispositivo que mide la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local.

Temperatura

Temperatura: magnitud escalar, propiedad no mecánica e intensiva, función de estado; nos permite conocer si hay o no condición de equilibrio térmico entre sistemas.

Termometría y termómetros

Termometría: parte de la termodinámica experimental que proporciona la metodología para la medición de la temperatura.

Termómetro: sistema térmico con paredes diatérmicas y con una propiedad termodinámica que cambie de manera proporcional con la temperatura de forma reproducible y repetible; se requiere una escala termodinámica. Algunos tipos de termómetros: termopar (fuerza electromotriz), termistor (resistencia eléctrica), pirómetro óptico (longitud de onda).

Escalas termométricas

• Empíricas (relativas): ºC, ºF.
• Absolutas (termodinámicas): T ≥ 0 K, ºR.

Diferencia de temperatura

Diferencia de temperatura (ΔT):

• Si ΔT > 0 → T_f > T_i: aumento de temperatura.
• Si ΔT < 0 → T_f < T_i: disminución de temperatura.
• Si ΔT = 0 → T_f = T_i: entonces T = cte.