¿QUÉ ES TERMODINÁMICA?

Es la rama de la física que describe los estados de equilibrio termodinámico a nivel microscópico.la termodinámica no se ocupa de ofrecer una interpretación física de sus magnitudes. La primera de ellas, la energía interna, se acepta como una manifestación microscópica de las leyes de conservación de la energía a nivel microscópico, que permite caracterizar el estado energético del sistema microscópico.

​El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son los que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor o trabajo, y que solo puede hacerse de una determinada manera.

Maquina térmica típica donde puede observarse la entrada desde una fuente de calor (caldera) a la izquierda y la salida a un disipador de calor (condensador) a la derecha. El trabajo se extrae en este caso mediante una serie de pistones.

1. TEMPERATURA: Es una magnitud física que indica la intensidad de calor o frío de un cuerpo, de un objeto o del medio ambiente, en general, medido por un termómetro.

• MEDICIÓN:El sistema internacional de unidades, SI, considera a la temperatura como una de las magnitudes básicas, cuya unidad es el kelvin (K), al que corresponde la escala absoluta, en la cual el valor de “cero kelvin (0 K)” es el cero absoluto.

• ESCALAS TERMOMÉTRICAS: Son las diferentes unidades con las que se representa la temperatura, Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas, relativas y absolutas. A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un objeto.

2. TRANSMISIÓN DE CALOR: proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción.

• CONDUCCIÓN: La conducción de calor o transferencia de energía en forma de calor por conducción es un proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que está en contacto con el .

• CONVECCION: Es una de las tres formas de transferencia de calor. Se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido, gas o plasma) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales, la evaporación del agua o fluidos.

• RADIACIÓN:  Es la emisión, propagación y transferencia de energía en cualquier medio en forma de ondas electromagnéticas o partículas. Una onda electromagnética es una forma de transportar energía (por ejemplo, el calor que transmite la luz del sol).

3. DILATACIÓN: Es el aumento de un cuerpo en su volumen, éste se hace más grande (más largo o ancho, o ambas cosas). La dilatación puede ocurrir por una variación de temperatura a presión constante. Esto se conoce como dilatación térmica.

• DILATACIÓN DE SÓLIDOS: La dilatación de los sólidos con el aumento de la temperatura ocurre porque aumenta la energía térmica y esto hace que aumente las vibraciones de los átomos y moléculas que forman el cuerpo, haciendo que pase a posiciones de equilibrio más alejadas que las originales.

• DILATACIÓN LINEAL:

La Dilatación Lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, es decir, en el ancho, o altura del cuerpo. El coeficiente de dilatación para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después:

                                                                    Donde , es el incremento de su integridad física cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura  a todo el cuerpo. El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere.

                                                                                      Donde: α=coeficiente de dilatación lineal [°C^-1]

L₀ = Longitud inicial

L_f = Longitud final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

• DILATACIÓN DE ÁREA O SUPERFICIAL: 

Cuando un área o superficie se dilata, lo hace incrementando sus dimensiones en la misma proporción. Por ejemplo, una lámina metálica aumenta su largo y ancho, lo que significa un incremento de área. La dilatación de área se diferencia de la dilatación lineal porque implica un incremento de área. El coeficiente de dilatación de área es el incremento de área que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de área igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado centígrado. Este coeficiente se representa con la letra griega gamma (γ). El coeficiente de dilatación de área se usa para los sólidos. Si se conoce el coeficiente de dilatación lineal de un sólido, su coeficiente de dilatación de área será dos veces mayor.               
                                                                          

 Al conocer el coeficiente de dilatación de área de un cuerpo sólido se puede calcular el área final             qal variar su temperatura con la siguiente expresión:

                              

                                                 

 Donde

γ=coeficiente de dilatación de área [°C^-1]

A₀ = Área inicial

A_f = Área final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

• DILATACIÓN VOLUMETRICA: 

Es el coeficiente de dilatación volumétrico, designado por α_V, se mide experimentalmente comparando el valor del volumen total de un cuerpo antes y después de cierto cambio de temperatura, y se encuentra que en primera aproximación viene dado por:

                                        

Experimentalmente se encuentra que un sólido isótropo tiene un coeficiente de dilatación volumétrico que es aproximadamente tres veces el coeficiente de dilatación lineal. Esto puede probarse a partir de la teoría de la elasticidad lineal. Por ejemplo si se considera un pequeño prisma rectangular (de dimensiones: L_x, L_y y L_z), y se somete a un incremento uniforme de temperatura, el cambio de volumen vendrá dado por el cambio de dimensiones lineales en cada dirección:

Esta última relación prueba que , es decir, el coeficiente de dilatación volumétrico es numéricamente unas 3 veces el coeficiente de dilatación lineal de una barra del mismo material.

• DILATACIÓN EN LÍQUIDOS: se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatación volumétrica unas diez veces mayor que la de los sólidos. Sin embargo, el líquido más común, el agua, no se comporta como los otros líquidos. 

• DILATACIÓN EN GASES: se determina según este constante de presión, el volumen o la temperatura. los gases son mucho mas dilatables que los sólidos y líquidos. ... el volumen permanece constante y aumenta la presión. sera coeficiente de la dilatación de un gas a volumen constante.

4. FASES DE LA MATERIA: se presenta en tres formas llamadas fases o estados: sólido, líquido y gas. Los sólidos se caracterizan por poseer forma y volumen propio independiente de los recipientes, debido a que sus partículas (moléculas) están unidas entre sí, sin dejar espacio intermolecular.

5. CALOR:  Es aquello que siente un ser vivo ante una temperatura elevada. La física entiende el calor como la energía que se traspasa de un sistema a otro o de un cuerpo a otro, una transferencia vinculada al movimiento de moléculas, átomos y otras partículas.

• CAPACIDAD CALORÍFICA: 

La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la temperatura un grado Celsius.

• CALOR ESPECIFICO: 

Calor específico o capacidad térmica específica es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad; esta se mide en varias escalas.

• CALOR LATENTE:  

Es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura.

6. LEYES DE LA TERMODINÁMICA: Las cuatro leyes de la termodinámica definen cantidades físicas fundamentales ( temperatura, energía y entropia) que caracterizan a los sistemas termodinámicos en equilibrio térmico. Las leyes describen cómo se comportan estas cantidades en diversas circunstancias y prohíben ciertos fenómenos (como el móvil del movimiento perpetuo ).

Las cuatro leyes de la termodinámica son:si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, están en equilibrio térmico entre sí. 

• Ley cero de la termodinámica: Esta ley ayuda a definir el concepto de temperatura .

• Primera ley de la termodinámica : cuando la energía pasa, como trabajo , como calor , o con la materia, dentro o fuera de un sistema, la energía interna del sistema cambia de acuerdo con la ley de conservación de la energía . De manera equivalente, las máquinas de movimiento perpetuo del primer tipo (máquinas que producen trabajo sin entrada de energía) son imposibles.

• Segunda ley de la termodinámica : en un proceso termodinámico natural , la suma de las entropías de los sistemas termodinámicos interactivos aumenta. De manera equivalente, las máquinas de movimiento perpetuo del segundo tipo (máquinas que convierten espontáneamente la energía térmica en trabajo mecánico) son imposibles.

• Tercera ley de la termodinámica : la entropía de un sistema se aproxima a un valor constante a medida que la temperatura se acerca al cero absoluto .  Con la excepción de los sólidos no cristalinos ( vidrios ), la entropía de un sistema en el cero absoluto suele ser cercana a cero.

Ha habido sugerencias de leyes adicionales, pero ninguna de ellas logra la generalidad de las cuatro leyes aceptadas, y no se mencionan en los libros de texto estándar. 

Las leyes de la termodinámica son leyes fundamentales importantes en la física y son aplicables en otras ciencias naturales .

7. TEOREMA DE CARNOT: Es un ciclo termodinámico que se produce en un equipo o máquina cuando trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q₁ de una fuente de mayor temperatura y cediendo un calor Q₂ a la de menor temperatura produciendo un trabajo sobre el.

8. PROCESO ISOBÁRICO: Un proceso isobárico es un proceso termodinámico que ocurre a presión constante. La primera ley de la termodinámica, para este caso, queda expresada como sigue:

${\displaystyle \Delta U=Q-P\Delta V}$                                                               

                                                                  ,

Donde:

${\displaystyle Q\!}$ = Calor transferido.

${\displaystyle U\!}$ = Energía interna.

${\displaystyle P\!}$ = Presión.

${\displaystyle V\!}$ = Volumen.

En un diagrama P-V, un proceso isobárico aparece como una línea horizontal.

• PROCESO ISOCORICO: 

también llamado proceso isométrico o trigonométrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; . Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como: , En un diagrama P-V, un proceso isocórico aparece como una línea vertical.

• PROCESO ISENTROPICO: 

En termodinámica, un proceso isentrópico, a veces llamado proceso isoentrópico (combinación de la palabra griega "iso" - igual - y "entropía"), es aquel en el que la entropía del sistema permanece constante.

Según la segunda ley de la termodinámica, se puede decir:

                                    

donde  es la cantidad de energía que el sistema gana por transferencia de calor,  es la temperatura de la fuente térmica que interviene en el proceso (si el proceso es reversible la temperatura de la fuente térmica será igual a la del sistema), y  es el cambio en la entropía del sistema en dicho proceso. El símbolo de igualdad implicaría un proceso reversible.

• PROCESO ISOTÉRMICO: Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio a temperatura constante en todo el sistema.

• PROCESO ADIABÀTICO: En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema termodinámico (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico.

9. ENTROPIA: Es una magnitud física para un sistema termodinámico en equilibrio. Mide el número de microestados compatibles con el macroestado de equilibrio, también se puede decir que mide el grado de organización del sistema, o que es la razón de un incremento entre energía interna frente a un incremento de temperatura del sistema.