Este es el texto sobre conceptos básicos de termodinámica.
Les pido que lo lean para discutirlo en la próxima clase.
Saludos
Profr. Juventino
CONCEPTOS BÁSICOS DE TEMPERATURA
Profr.
Juventino Meléndez Marcos
La termodinámica clásica tiene como
objetivo analizar el comportamiento de la materia al afectarla mediante un
cambio de sus alrededores inmediatos, mediante la medición de parámetros como
la temperatura, la presión, el volumen, etc. Dicho de otra forma, la
termodinámica tiene como objetivo el análisis de un sistema que sufre cambios
por la aplicación de un proceso simple o complejo, mediante la medición de los
parámetros que lo caracterizan entre uno o varios estados de equilibrio.
Al
ser la Termodinámica una herramienta de análisis, predicción, e interpretación
de los fenómenos que se presentan en la naturaleza, posee una serie de términos
y conceptos que es necesario y conveniente definir previamente, tales como:
sistema, alrededores inmediatos, paredes, parámetros descriptivos, condiciones
de equilibrio, procesos etc.
Al analizar las situaciones físicas, nuestra atención se enfoca generalmente en alguna porción del universo, que separamos del medio ambiente que lo rodea. A esta porción se le llama sistema. A todo lo que está afuera del sistema y que tiene una participación directa en su comportamiento se le llama alrededores inmediatos o también se dice que constituye su entorno o vecindad.
Por ejemplo el sistema puede ser una pelota y los alrededores podrían ser el aire y la tierra, si estudiamos la caída libre de la pelota tratamos de encontrar cómo el aire y la tierra afectan el movimiento de la pelota. Otro ejemplo podría ser el gas contenido en un cilindro provisto de un pistón móvil, el sistema sería el gas y los alrededores serían el pistón móvil y un mechero colocado cerca del cilindro, entonces tratamos de ver cuál es el comportamiento del gas bajo la acción del pistón y del mechero. En todos los casos la selección del sistema la hace arbitrariamente el observador, esto dependiendo de lo que le interese estudiar.
Sistema abierto es aquel
en el que se puede transferir materia entre el sistema y los alrededores.
Sistema cerrado es aquel en el que no es posible una transferencia
de materia.
Sistema
aislado es aquel en el que no interacciona de ninguna forma con sus
alrededores. Un sistema aislado es un sistema cerrado, pero no todos los
sistemas cerrados son aislados. En un sistema aislado no puede darse
transferencia de materia ni de energía entre el sistema y los alrededores. En
un sistema cerrado es posible transferir energía, pero no materia entre el
sistema y los alrededores. En uno abierto se puede intercambiar tanto materia
como energía.
La
idea de aislar una porción del universo lleva implícito el concepto de frontera
o pared, es decir, lo que separa al sistema del resto del universo.
Esta frontera puede ser real como son las paredes de un recipiente que contiene
un líquido o un gas o bien puede ser imaginaria como la superficie geométrica
que encierra cierto volumen. Estas paredes pueden ser:
Pared aislante. Es
aquella que no permite interacción alguna entre el sistema y sus alrededores.
Un sistema delimitado por una pared aislante permanecerá indefinidamente en el
mismo estado.
Pared adiabática. Es
aquella que permite sólo interacciones de tipo mecánico entre el sistema y sus
alrededores, e impide el intercambio térmico entre ambos.
Pared diatérmica. Es aquella
que permite interacciones térmicas de cualquier tipo, entre el sistema y sus
alrededores.
Cuando
dos sistemas están separados por una pared diatérmica decimos que se encuentran
en contacto
térmico.
Actividad
1
Supongamos que se ponen en contacto
dos monedas a distinta temperatura. Después de un tiempo estarán a la misma
temperatura, esto significa que entre ellas hay una pared diatérmica.
Menciónala.
Una
vez seleccionado el sistema podemos describir su comportamiento seleccionando
parámetros o magnitudes observables adecuadas, a estas magnitudes, cantidades o
parámetros les llamaremos variables.
Las que utilizaremos con mucha frecuencia para hacer la descripción son: la
presión, el volumen, la temperatura, etc., a las que llamaremos variables
o parámetros termodinámicos.
Una
variable extensiva es aquella cuyo valor es igual a la suma de los valores
correspondientes a diferentes partes del sistema. Así, si dividimos a un
sistema en partes la masa del sistema es igual a la suma de las masas de cada
una de las partes, la masa es una variable extensiva. El volumen también es una
variable extensiva.
Una variable intensiva es aquella que
no depende de la cantidad de materia en el sistema, por ejemplo, la densidad y
la presión. Podemos tomar una pequeña muestra de agua de una alberca o la
totalidad de agua y ambos tendrán la misma densidad.
Un sistema es homogéneo si cada
variable intensiva es constante en todo el sistema. Cuando un sistema no es
homogéneo puede haber una serie de partes que sí lo son. Una parte homogénea de
un sistema se denomina fase. Por ejemplo, si un sistema consiste en un cristal
de bromuro de plata (AgBr) en equilibrio con una disolución acuosa de dicha
sal, el sistema tiene dos fases: el
AgBr sólido y la disolución. Un sistema compuesto de los sólidos diamante y
grafito tiene dos fases. Los líquidos H2O y CCl4 líquidos
casi inmiscibles, tienen dos fases. Un sistema formado por dos o màs fases es heterogéneo.
Cuando
las variables termodinámicas de un sistema permanecen constantes, es decir,
cuando no cambian en el tiempo, se dice que el sistema se encuentra en equilibrio
termodinámico y el conjunto de valores de esas variables definen el estado
termodinámico. Cuando un sistema es afectado por sus alrededores y la
interacción tiene como consecuencia un cambio en el estado del sistema, se dice
que se ha efectuado un proceso. Si ocurre un proceso a
temperatura constante, se le denomina isotérmico; si el proceso se realiza
a volumen constante se le llama proceso isométrico o isocórico; si el
proceso es a presión constante se le llama proceso isobárico; y si en el
proceso no hay intercambio térmico (de calor) es adiabático. Cuando el
proceso no cae dentro de alguno de los anteriores, decimos que es Politrópico.
Procesos reversibles e irreversibles
Un
proceso
reversible es aquel en el que todo estado a lo largo de su trayectoria
está en estado de equilibrio, y aquel para el cual el sistema se puede regresar
a sus condiciones iniciales a lo largo de la misma trayectoria. Un proceso que
no cumple estos requisitos, se llama irreversible. Todos los procesos
naturales son irreversibles.
El proceso reversible es una idealización, sin
embargo, algunos procesos naturales son casi reversibles. Si un proceso ocurre
muy lentamente de tal forma que el sistema está prácticamente siempre en
equilibrio (proceso cuasiestático), se puede considerar reversible. Por
ejemplo, imaginemos que tenemos una jeringa metálica con gas dentro de ella
cuyo émbolo no presenta fricción con las paredes. Comprimimos el gas muy
lentamente colocando pesas extremadamente pequeñas sobre el émbolo. Cada pesa
pequeña que se agregue llevará al sistema (gas) a un nuevo estado de
equilibrio.
El proceso se puede invertir si quitamos del émbolo
las pesas una a una. La presión, el volumen y la temperatura del gas están bien
definidas durante ésta compresión y descompresión. Este proceso es isotérmico
ya que la temperatura es constante porque colocamos el gas en contacto térmico
con un depósito de energía (aire atmosférico). Este proceso lo podemos
considerar como reversible.
Figura 1.
Proceso reversible de un sistema.
 |
Fig.1.
Proceso reversible. El sistema cambia del estado i al estado f de manera
muy lenta pasando por estados de equilibrio siguiendo la curva. Este proceso
puede regresar por los mismos estados, hasta llegar a i el proceso es reversible.
Temperatura y equilibrio térmico
Si golpeamos con un martillo a un
trozo de metal situado en el piso, observamos que en cada golpe el martillo se
detiene bruscamente. Con esto se nota que la energía cinética del martillo ha
desaparecido y no se visualiza un cambio en la energía potencial o en la
energía cinética del trozo de metal. Entonces, ¿qué ha ocurrido con la energía
mecánica total (cinética y potencial) del martillo?, ¿acaso se viola la ley de
la conservación de la energía en este caso? Si tratamos de dar una explicación
en términos exclusivamente de la mecánica no la hallaríamos. La respuesta a
esta aparente contradicción la encontramos estudiando los fenómenos térmicos
apoyándonos en una rama de la física llamada termodinámica.
En nuestro ejemplo del martillo se ve que
efectivamente la energía cinética desaparece, pero también es cierto que puede
notarse un calentamiento del trozo de metal. La noción de caliente o frío la
adquirimos por medio de nuestros sentidos, podemos ordenar varios sistemas que
tienen diferentes calentamientos, desde el de menor temperatura hasta el de
mayor temperatura. El procedimiento anterior es un primer acercamiento para
determinar la temperatura de un sistema y puede ser útil, sin embargo, tiene su
grado de imperfección por lo que es impráctico para propósitos técnicos o
científicos.
Para demostrar la imperfección y limitación de
nuestros sentidos, se observa que, al sumergir ambas manos al mismo tiempo, una
en agua caliente y la otra en agua fría, y posteriormente meter ambas manos al
mismo tiempo en agua tibia; a la primera mano le parecerá fría y a la segunda
le parecerá caliente. Se podría esperar que se detectara la misma sensación de
temperatura ya que las manos pertenecen al mismo cuerpo. Como este no es el
caso entonces concluimos que a pesar de que nuestros sentidos son útiles para
detectar la temperatura, en algunas ocasiones nos pueden engañar, al usarlos
como medidores de temperatura.
El siguiente experimento nos hace pensar que existe
una propiedad llamada temperatura empírica de la cual
tratemos de entender su significado.
Pongamos en contacto térmico dos sistemas, uno al
que llamaremos A que nos da la sensación de estar frío al tocarlo y otro B que
se siente caliente. Después de cierto tiempo se vuelven a tocar A y B percibiendo
que se encuentran a la misma temperatura; en este caso decimos que A y B están
en equilibrio
térmico entre sí. En un lenguaje más formal, diremos que dos sistemas
se encuentran en equilibrio térmico si al ponerlos en contacto térmico no
cambian las variables termodinámicas de ninguno de ellos.
Analicemos
otro caso para definir el equilibrio térmico: supongamos dos sistemas A y B
separados por una pared adiabática, si ambas están en contacto térmico con un
tercer sistema C. Por la forma de acomodar los tres sistemas se observa que A y
B están en equilibrio térmico con C y por lo tanto A y B estarán en equilibrio
térmico entre sí. Esto se puede comprobar si quitamos la pared adiabática entre
A y B y los ponemos en contacto térmico, mediante una pared diatérmica,
encontraremos que estos sistemas se encuentran también en equilibrio térmico.
Figura 3. Al sustituir la pared
adiabática por una diatérmica entre los sistemas A y B no hay cambio en las
variables termodinámicas de ninguno de los dos, es decir, A y B están en
equilibrio térmico.
En
resumen: Si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico con un tercero C,
entonces A y B estarán en equilibrio térmico entre sí. Esto se conoce como la ley
cero de la termodinámica.
Operacionalmente
podemos definir el concepto de temperatura de la forma siguiente:
cuando dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico se dice que tienen la
misma temperatura y cuando no se encuentran en equilibrio térmico tienen
temperaturas diferentes. En el enunciado de la ley cero de la termodinámica
consideraremos al tercer sistema C como un termómetro y con éste mediremos la
temperatura. El tipo más común de termómetro es el que relaciona la temperatura
con la altura de una columna de líquido en el interior de un tubo capilar de
vidrio. En este termómetro las variaciones en la temperatura producen
dilataciones o contracciones del líquido haciendo que ascienda o descienda la
columna. Así a cada altura de la columna podemos asignarle un número, el cual
corresponde a la temperatura relacionada con dicha altura.
De la temperatura
dependen muchas propiedades fisicoquímicas de la materia tales como: densidad,
punto de fusión, punto de ebullición, estados de la materia, solubilidad,
viscosidad, punto triple y punto crítico, energía interna, energía cinética,
entropía, presión de vapor, conductividad térmica y eléctrica, se encuentra presente en la evolución de
muchas reacciones químicas, tanto endotérmicas como exotérmicas, determina la
radiación térmica de una superficie, las propiedades ferromagnéticas, las propiedades
de transporte, las propiedades ópticas, las propiedades elásticas, etc.
Actividad 2.
El alumno construirá un termómetro con una
escala que lleve mensajes en vez de números: llenará de alcohol un frasco de
vidrio y colocará un popote dentro de él. Al envolver el recipiente con ambas
manos, el alcohol se dilatará y subirá a través del popote. Dependiendo de la
altura a la que ascienda el alcohol dentro del popote, será la temperatura que
marcará el termómetro. Se podría escribir mensajes a determinada altura del
popote como, por ejemplo: te amo poquito para la altura pequeña, te amo regular
para la siguiente y te amo mucho para la altura mayor. Para ponerle un nombre
divertido a este intento de termómetro le llamaremos amorímetro.
