Termodinámica: densidad, ley cero y energía (resumen de apuntes)

Definición de Termodinámica

La termodinámica es la ciencia que estudia la energía, sus transformaciones y las relaciones existentes entre las propiedades de las sustancias, que permiten evaluar su energía disponible, con el fin de obtener trabajo y/o calor, en algunas máquinas, equipos o procesos térmicos.

Densidad relativa de una sustancia:

Es el cociente entre su densidad y la de otra sustancia diferente que se toma como referencia o patrón. Para sustancias líquidas se suele tomar como sustancia patrón el agua cuya densidad a 4 ºC es igual a 1000 kg/m³. Para gases la sustancia de referencia la constituye con frecuencia el aire que a 0 ºC de temperatura y 1 atm de presión tiene una densidad de 1,293 kg/m³. Como toda magnitud relativa, que se obtiene como cociente entre dos magnitudes iguales, la densidad relativa carece de unidades físicas.

Densidad absoluta:

Es la masa de la unidad de volumen de un cuerpo. Ella depende del peso molecular y de la cantidad de moléculas contenidas en ese volumen, o sea, del grado de aglomeración de las mismas, condición que depende a su vez, de las fuerzas de atracción intermolecular y de la temperatura, agregándose en los gases otro factor importante que es la presión. Si bien la densidad y el peso específico son términos que se utilizan en forma indistinta en ciertos contextos, lo correcto es diferenciarlos.

Ley cero de la Termodinámica

          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).

          Otra interpretación de la ley cero de la termodinámica que establece:

          Si un cuerpo A está en equilibrio térmico con un cuerpo C y un cuerpo B también está en equilibrio térmico con el cuerpo C, entonces los cuerpos A y B están en equilibrio térmico. Esta curiosa nomenclatura se debe a que los científicos se dieron cuenta tardíamente de la necesidad de postular lo que hoy se conoce como la ley cero: si un sistema está en equilibrio con otros dos, estos últimos, a su vez, también están en equilibrio. Cuando los sistemas pueden intercambiar calor, la ley cero postula que la temperatura es una variable de estado, y que la condición para que dos sistemas estén en equilibrio térmico es que se hallen a igual temperatura

Concepto de energía y sus efectos en cuerpos.-

Es un concepto que describe la capacidad de producir un efecto o cambio en las condiciones existentes. La energía siempre está asociada a un cuerpo o a una sustancia.

La energía puede existir en numerosas formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear y su suma constituye la energía total E de un sistema.

La energía total de un sistema es posible asignarle un valor de cero (E=0)
En un punto de referencia conveniente. El cambio en la energía total de un sistema es independiente del punto de referencia elegido, ejemplo, la disminución en la energía potencial de una roca que cae, depende de la diferencia de altura y no del nivel de referencia elegido.

En el análisis termodinámico, con frecuencia es útil considerar en dos grupos las diversas formas de energía que conforman la energía total de un sistema:

Macroscópicas y microscópicas

Las formas de energías macroscópicas, por una parte, son las que un sistema posee como un todo en relación con cierto marco de referencia exterior, como las energías cinética y potencial. Las energías microscópicas, se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de su actividad molecular, independientes de los marcos de referencia externos. A la suma de todas las energías microscópicasse denomina energía interna de un sistema y se denota mediante U.

La energía macroscópica de un sistema se relaciona con el movimiento y la influencia de algunos factores externos como la gravedad, el magnetismo, la electricidad y la tensión superficial. La energía que un sistema posee como resultado de su movimiento en cierto marco de referencia, se denomina energía cinética EC.

La energía macroscópica de un objeto cambia con la velocidad y la altura.

La energía microscópica se examina en un sistema molecular, donde las moléculas individuales de un sistema, se moverán por él con cierta velocidad, vibrarán unas entorno de otras y rotarán alrededor de un eje durante su movimiento aleatorio. Asociadas con estos movimientos se encuentran las energías cinética, traslacional, vibracional y rotacional, y su suma constituye la energía cinética de una molécula.