Una visión general de la termodinámica

La termodinámica es el campo de la física que se ocupa de la relación entre el calor y otras propiedades (como presión, densidad, temperatura, etc.) en una sustancia.

Específicamente, la termodinámica se enfoca principalmente en cómo una transferencia de calor está relacionada con varios cambios de energía dentro de un sistema físico que experimenta un proceso termodinámico. Dichos procesos generalmente resultan en un trabajo realizado por el sistema y están guiados por las leyes de la termodinámica..

Conceptos básicos de transferencia de calor

En términos generales, el calor de un material se entiende como una representación de la energía contenida dentro de las partículas de ese material. Esto se conoce como la teoría cinética de los gases, aunque el concepto también se aplica en diversos grados a sólidos y líquidos. El calor del movimiento de estas partículas puede transferirse a partículas cercanas y, por lo tanto, a otras partes del material u otros materiales, a través de una variedad de medios:

• Contacto termal es cuando dos sustancias pueden afectar la temperatura de la otra.
• Equilibrio termal es cuando dos sustancias en contacto térmico ya no transfieren calor.
• Expansión térmica tiene lugar cuando una sustancia se expande en volumen a medida que gana calor. La contracción térmica también existe..
• Conducción es cuando el calor fluye a través de un sólido calentado.
• Convección es cuando las partículas calentadas transfieren calor a otra sustancia, como cocinar algo en agua hirviendo.
• Radiación es cuando el calor se transfiere a través de ondas electromagnéticas, como las del sol.
• Aislamiento es cuando se usa un material de baja conducción para evitar la transferencia de calor.

Procesos termodinámicos.

Un sistema se somete a un proceso termodinámico cuando hay algún tipo de cambio energético dentro del sistema, generalmente asociado con cambios en la presión, el volumen, la energía interna (es decir, la temperatura) o cualquier tipo de transferencia de calor..

Existen varios tipos específicos de procesos termodinámicos que tienen propiedades especiales:

• Proceso adiabático: un proceso sin transferencia de calor dentro o fuera del sistema.
• Proceso isocrórico: un proceso sin cambio de volumen, en cuyo caso el sistema no funciona.
• Proceso isobárico: un proceso sin cambio de presión..
• Proceso isotérmico: un proceso sin cambio de temperatura..

Estados de materia

Un estado de la materia es una descripción del tipo de estructura física que manifiesta una sustancia material, con propiedades que describen cómo el material se mantiene unido (o no). Hay cinco estados de la materia, aunque solo los primeros tres de ellos generalmente se incluyen en la forma en que pensamos acerca de los estados de la materia:

• gas
• líquido
• sólido
• plasma
• superfluido (como un condensado de Bose-Einstein)

Muchas sustancias pueden hacer la transición entre las fases gaseosa, líquida y sólida de la materia, mientras que se sabe que solo unas pocas sustancias raras pueden entrar en un estado superfluido. El plasma es un estado distinto de la materia, como los rayos. 

• condensación - gas a líquido
• congelación - líquido a sólido
• fusión - sólido a líquido
• sublimación - sólido a gas
• vaporización - líquido o sólido a gas

Capacidad calorífica

La capacidad calorífica, C, de un objeto es la relación de cambio en el calor (cambio de energía, ΔQ, donde el símbolo griego Delta, Δ, denota un cambio en la cantidad) para cambiar la temperatura (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

La capacidad calorífica de una sustancia indica la facilidad con la que una sustancia se calienta. Un buen conductor térmico tendría una baja capacidad calorífica, lo que indica que una pequeña cantidad de energía provoca un gran cambio de temperatura. Un buen aislante térmico tendría una gran capacidad térmica, lo que indica que se necesita mucha transferencia de energía para un cambio de temperatura..

Ecuaciones de gas ideal

Existen varias ecuaciones de gas ideales que relacionan la temperatura (T₁), presión (PAG₁) y volumen (V₁) Estos valores después de un cambio termodinámico se indican mediante (T₂), (PAG₂) y (V₂) Para una cantidad dada de una sustancia, norte (medido en moles), se mantienen las siguientes relaciones:

Ley de Boyle ( T es constante):
PAG ₁ V ₁ = PAG ₂ V ₂
Ley Charles / Gay-Lussac (PAG es constante):
V₁/ /T₁ = V₂/ /T₂
Ley de gas ideal:
PAG₁V₁/ /T₁ = PAG₂V₂/ /T₂ = nR

R es el constante de gas ideal, R = 8.3145 J / mol * K. Para una cantidad dada de materia, por lo tanto, nR es constante, lo que da la Ley del Gas Ideal.

Leyes de termodinámica

• Ley Zeroeth de Termodinámica - Dos sistemas cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema están en equilibrio térmico entre sí..
• Primera ley de la termodinámica - El cambio en la energía de un sistema es la cantidad de energía agregada al sistema menos la energía gastada haciendo trabajo.
• Segunda ley de la termodinámica - Es imposible que un proceso tenga como único resultado la transferencia de calor de un cuerpo más frío a uno más caliente..
• Tercera ley de termodinámica - Es imposible reducir cualquier sistema a cero absoluto en una serie finita de operaciones. Esto significa que no se puede crear un motor térmico perfectamente eficiente.

La segunda ley y la entropía

La segunda ley de la termodinámica se puede reformular para hablar sobre entropía, que es una medida cuantitativa del trastorno en un sistema. El cambio de calor dividido por la temperatura absoluta es el cambio de entropía del proceso. Definida de esta manera, la Segunda Ley puede reformularse como:

En cualquier sistema cerrado, la entropía del sistema permanecerá constante o aumentará.

Por "sistema cerrado" significa que cada parte del proceso se incluye al calcular la entropía del sistema.

Más sobre termodinámica

De alguna manera, tratar la termodinámica como una disciplina distinta de la física es engañoso. La termodinámica toca prácticamente todos los campos de la física, desde la astrofísica hasta la biofísica, porque todos tratan de alguna manera con el cambio de energía en un sistema. Sin la capacidad de un sistema de usar energía dentro del sistema para hacer el trabajo, el corazón de la termodinámica, no habría nada para que los físicos estudien.

Dicho esto, hay algunos campos que utilizan la termodinámica de paso a medida que estudian otros fenómenos, mientras que hay una amplia gama de campos que se centran principalmente en las situaciones de termodinámica involucradas. Estos son algunos de los subcampos de la termodinámica:

• Criofísica / Criogenia / Física de baja temperatura - El estudio de las propiedades físicas en situaciones de baja temperatura, muy por debajo de las temperaturas experimentadas incluso en las regiones más frías de la Tierra. Un ejemplo de esto es el estudio de superfluidos.
• Dinámica de fluidos / Mecánica de fluidos - El estudio de las propiedades físicas de los "fluidos", definidos específicamente en este caso como líquidos y gases..
• Física de alta presión - El estudio de la física en sistemas de presión extremadamente alta, generalmente relacionado con la dinámica de fluidos.
• Meteorología / Física del tiempo - la física del clima, sistemas de presión en la atmósfera, etc..
• Física de plasma - el estudio de la materia en estado plasmático.