1. Definimos a un sistema como cerrado o aislado a aquel que se encuentra contenido en un recipiente cuyas paredes son aislantes, rígidas e impermeables.
1.1. Proceso o transformación. Por medio de un proceso podemos cambiar las variables E, V y N. Por ejemplo, moviendo las paredes desde afuera cambiamos V (i.e. comprimiendo o expandiendo); haciéndole “agujeros” o poros a las paredes podemos cambiar N. Como veremos después, si solo cambiamos N o V , la energía cambiar´a, en general, mientras que si cambiamos las dos podemos conseguir que la energía no cambie. Por otro lado, si ahora reemplazamos el material de las paredes por unas que sean buenas conductoras de “calor” podemos cambiar E, sin necesariamente modificar N o V .
2. Estados de equilibrio termodinámico. Es un hecho experimental que si dejamos de perturbar de manera externa a un sistema y esperamos un tiempo suficientemente largo, sus variables microscópicas dejaran de variar en el tiempo ... si dejamos un vaso con agua caliente a la intemperie se enfría hasta que adquiere la temperatura del medio ambiente ... si echamos una gota de tinta en agua, se difunde hasta que se obtiene una mezcla uniforme
3. Calor y la Primera Ley de la Termodinámica Definimos con mucho cuidado el trabajo mecánico en la sección anterior para poder ahora tratar otros procesos que ocurren a V = constante
4. La primera ley de la termodinámica relaciona el trabajo y el calor transferido intercambiado en un sistema a través de una nueva variable termodinámica, la energía interna. Dicha energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. En este apartado estudiaremos:
5. Temperatura Equilibrio térmico y la Ley Cero de la Termodinamica. Consideremos dos sistemas completamente aislados, como se muestra en la Figura 6, que están en equilibrio por separado. Llamemos E i 1 , V1, N1 y E i 2 , V2, N2, a las energías, volúmenes y numero de partículas de los dos sistemas respectivamente. Los sistemas se ponen en contacto térmico, es decir, por medio de una pared diatermia; las demás paredes se mantienen aislantes, regidas, e impermeables.
6. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Conservar la calidad de la energía es una cuestión importante para los ingenieros, y la segunda ley de la termodinámica, provee los medios necesarios para determinarla, así como el grado de degradación que sufre la energía un proceso. Mayor cantidad de energía a alta temperatura se puede convertir en trabajo, por lo tanto tiene una calidad mayor que esa misma cantidad de energía a una temperatura menor.
6.1. La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Clausius Hay dos enunciados clásicos de la segunda ley, el de Kelvin-Planck que se relaciona con las máquinas térmicas y analizado en la sección precedente, y el de Clausius, relacionado con refrigeradores o bombas de calor. El enunciado de Clausius se expresa como sigue: “Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo sin que produzca ningún otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura”
6.2. DEPÓSITOS DE ENERGÍA TÉRMICA En el desarrollo de la segunda ley de la termodinámica, es muy conveniente tener un hipotético cuerpo que posea una capacidad de energía térmica relativamente grande (masa X calor específico) que pueda suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin experimentar ningún cambio de temperatura
7. Expansión adiabática reversible (proceso 2-3, la temperatura disminuye deTH a TL). En el estado 2, el depósito que estuvo en contacto con la cabeza del cilindro se elimina y se reemplaza por aislamiento para que el sistema se vuelva adiabático. El gas continúa expandiéndose lentamente y realiza trabajo sobre los alrededores hasta que su temperatura disminuye de TH aTL (estado 3). Se supone que el émbolo no experimenta fricción y el proceso está en cuasiequilibrio, de modo que el proceso es reversible así como adiabático.
8. Expansión adiabática reversible (proceso 2-3, la temperatura disminuye deTH a TL). En el estado 2, el depósito que estuvo en contacto con la cabeza del cilindro se elimina y se reemplaza por aislamiento para que el sistema se vuelva adiabático. El gas continúa expandiéndose lentamente y realiza trabajo sobre los alrededores hasta que su temperatura disminuye de TH aTL (estado 3). Se supone que el émbolo no experimenta fricción y el proceso está en cuasiequilibrio, de modo que el proceso es reversible así como adiabático.
9. La termodinámica es la disciplina que estudia las transformaciones de la energía reversibles e irreversibles, en forma de calor y trabajo de los sistemas microscopios.
9.1. Sistemas y estados de los sistemas. Desde el punto de vista de la mecánica clásica, el sistema lo constituyen las partículas presentes, sus masas y las fuerzas que actúan sobre y entre ellas (tecnicamente, el sistema queda completamente especificado por el Hamiltoniano o la Lagrangiana
9.2. Sistemas macroscopicos. Una primera definición imprecisa: un cuerpo macroscopico esta constituido por un numero enorme de átomos y moléculas. La imprecision del concepto radica en especificar cuantos átomos y molecular se necesitan para considerar a un cuerpo como macroscopico. Se usa, como numero típico de átomos en un cuerpo macroscopico, el Numero de Avogadro N0 ≈ 6,022 × 1023, también llamado un mol1 sin embargo, sistemas tan “pequenos con tan solo 106 átomo
10. Energía En contraste con otros cursos de termodinámica en los que se inicia con descripciones fenomenológicas sobre la temperatura y otras variables como la presión y el volumen, y en los que se recurre a la intuición de la vida diaria, aquí iniciaremos con especificar el concepto de la energía. Para hacerlo, de manera muy diferente y única con respecto al resto del curso, apelaremos al hecho de que la materia esta constituida por átomos y moléculas. La energía es una propiedad que podemos adjudicarle al estado de cualquier sistema, microscópico o no.
11. Presión Consideremos un fluido en un recipiente cerrado con E, V y N constantes y, por simplicidad, despreciemos el efecto de la aceleración gravitacional. Supongamos que el fluido ya alcanzo el estado de equilibrio termodinamico. Es decir, no existe ningún flujo dentro del seno del fluido, que también equivale a decir que la velocidad del fluido en todo punto dentro del recipiente es cero. Desde un punto de vista puramente mecánico el estado de equilibrio del fluido implica que el sistema es homogéneo e isotropico, de tal manera que la densidad ρ = N/V es la misma en cualquier punto del fluido y, como mencionamos, no tiene movimiento o flujo alguno.
12. MÁQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUO Se ha expresado varias veces que un proceso no se puede llevar a cabo a menos que cumpla con las leyes primera y segunda de la termodinámica. Cualquier dispositivo que viola alguna de las dos leyes se llama máquina de movimiento perpetuo y, a pesar de numerosos intentos, no se sabe de alguna máquina de este tipo que haya funcionado. Pero esto no ha impedido que los inventores intenten crear nuevas.
13. PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES La segunda ley de la termodinámica establece que ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia de 100 por ciento. Entonces cabe preguntar, ¿cuál es la eficiencia más alta que pudiera tener una máquina térmica? Antes de contestarla es necesario definir primero un proceso idealizado, llamado proceso reversible. Los procesos que se estudiaron al comienzo de este capítulo ocurrieron en cierta dirección, y una vez ocurridos, no se pueden revertir por sí mismos de forma espontánea y restablecer el sistema a su estado inicial. Por esta razón se clasifican como procesos irreversibles. Una vez que se enfría una taza de café, no se calentará al recuperar de los alrededores el calor que perdió. Si eso fuera posible, tanto los alrededores como el sistema (café) volverían a su condición original, y esto sería un proceso reversible.
13.1. Un proceso reversible se define como un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro en los alrededores. Es decir, tanto el sistema como los alrededores vuelven a sus estados iniciales una vez finalizado el proceso inverso. Esto es posible sólo si el intercambio de calor y trabajo netos entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso combinado (original e inverso). Los procesos que no son reversibles se denominan procesos irreversibles.
13.2. Irreversibilidades Los factores que causan que un proceso sea irreversible se llaman irreversibilidades, las cuales son la fricción, la expansión libre, el mezclado de dos fluidos, la transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita, la resistencia eléctrica, la deformación inelástica de sólidos y las reacciones químicas. La presencia de cualquiera de estos efectos hace que un proceso sea irreversible.
