Fundamentos de Termodinámica: Leyes, Conceptos y Aplicaciones Esenciales

¿Qué es la Termodinámica?

• Proviene de dos términos griegos que significan "movimiento de calor".
• Es el estudio del calor y de su transformación en energía mecánica. Se concentra en los aspectos macroscópicos: trabajo mecánico, presión y temperatura. Se fundamenta en la conservación de la energía y el flujo del calor.

Cero Absoluto

La temperatura de un cuerpo indica el movimiento térmico de los átomos. Si el movimiento aumenta, también lo hace la temperatura. Cuando el movimiento de los átomos se va deteniendo, la energía cinética de estos tiende a cero. Esto ocurre cuando la temperatura se aproxima a un límite inferior conocido como el Cero Absoluto.

Ley Cero de la Termodinámica

Establece que existe una propiedad llamada temperatura empírica, que tiene el mismo valor para todos los sistemas que están en equilibrio térmico entre sí. Si dos o más cuerpos se encuentran a diferente temperatura y son puestos en contacto, pasado un cierto tiempo, alcanzarán la misma temperatura. Esto se conoce como Equilibrio Térmico.

Primera Ley de la Termodinámica

Se le conoce como el Principio de Conservación de la Energía para la Termodinámica. Si se realiza trabajo sobre un sistema, o bien este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambia. La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

E_entra - E_sale = ΔE_sistema

Energía Interna (U)

Es la suma de la energía cinética interna y de la energía potencial interna de un sistema.

Trabajo en Variación de Volumen (W)

W: trabajo realizado en una variación de volumen

W = F * d

F = P * A

Sustituyendo F en la ecuación de trabajo:

W = P * A * d

Dado que A * d = ΔV (variación de volumen):

W = P * ΔV

Esta expresión permite calcular el trabajo que realiza un gas al sufrir una variación de volumen a presión constante.

Convención de Signos (IUPAC)

Según la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), se considera que:

• Positivo: Para el trabajo que sale del sistema y el calor que entra al sistema.
• Negativo: Para el trabajo que entra al sistema y el calor que sale del sistema.

Segunda Ley de la Termodinámica

Considera una máquina que absorbe calor de un depósito caliente, realiza trabajo y cede calor a un depósito frío. Puesto que es un proceso cíclico, la energía interna se conserva, es decir, que ΔU = 0.

Eficiencia Térmica (e)

Se puede determinar cuán eficiente es una máquina térmica mediante el cociente entre el trabajo realizado (W) y el calor absorbido (Qc) a la temperatura más alta del ciclo.

e = W / Qc

También se puede expresar como:

e = (Qc - Qf) / Qc = 1 - (Qf / Qc)

Procesos Reversibles e Irreversibles

Un proceso reversible es aquel en que cada estado entre los estados inicial y final es un estado de equilibrio. Un proceso que no cumple esta condición es un proceso irreversible. En la vida real no existen procesos perfectamente reversibles.

Entropía (S)

Es una función de estado, es decir, permite describir el estado termodinámico de un sistema.

Si consideramos un proceso reversible entre dos estados de equilibrio, donde ΔQ es el calor absorbido, el cambio de entropía ΔS entre estos dos estados está dado por el cociente entre ΔQ y la temperatura absoluta del sistema T.

ΔS = ΔQ / T