Principios Termodinámicos

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Principios Termodinámicos

Los cuatros principios de la termodinámica definen cantidades físicas fundamentales (temperatura, energía y entropía) que caracterizan a los sistemas termodinámicos. Las leyes describen cómo se comportan bajo ciertas circunstancias, y prohíben ciertos fenómenos (como el móvil perpetuo).

Principios TermodinámicosLos cuatro principios de la termodinámica son:

Principio cero de la termodinámica: Si dos sistemas están en equilibrio térmico independientemente con un tercer sistema, deben estar en equilibrio térmico entre sí. Este principio nos ayuda a definir la temperatura.

Primer principio de la termodinámica: Cuando la energía se transfiere, como trabajo, calor o como materia, dentro o fuera de un sistema, la energía interna cambia de acuerdo con la ley de la conservación de la energía. Por lo tanto, las máquinas de movimiento perpetuo de primer tipo son imposibles.

Segundo principio de la termodinámica: En un proceso termodinámico natural, la suma de los sistemas termodinámicos que interactúan aumenta. Por lo tanto las máquinas de movimiento perpetuo son imposibles.

Tercer principio de la termodinámica: La entropía de un sistema se aproxima a un valor constante así como la temperatura se aproxima al cero absoluto. Con la excepción de los sólidos no cristalinos (vidrio) la entropía del sistema en el cero absoluto es típicamente cercano al cero, y es igual al logaritmo de la multiplicidad de los estados cuánticos fundamentales.

Los principios de la termodinámica son leyes de la física fundamentales y son aplicables en otras ciencias naturales.

Principios TermodinámicosEl principio cero de la termodinámica puede expresarse de la siguiente forma:

"Si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, deben estar en equilibrio térmico entre sí".

El principio está destinado a permitir la existencia de un parámetro empírico, la temperatura, como una propiedad de un sistema, tal que los sistemas en equilibrio térmico tengan las misma temperatura. La ley, como se indica aquí, es compatible con el uso de un cuerpo físico particular, por ejemplo la masa de un gas, para que coincida con la temperatura de otros cuerpos, pero no justifica a la temperatura como una cantidad que se puede medir en números reales.

Aunque esta versión de la ley es una de la más comúnmente mencionada, es solo una de una diversidad de enunciados etiquetados como la ley cero por escritores capacitados. Algunos enunciados van más allá de manera que proporcione el hecho físico importante de que la temperatura es unidimensional, que conceptualmente se pueden organizar cuerpos en secuencia de números reales de el frío al más caliente. Tal vez no existe un único mejor enunciado de la ley cero, porque en la literatura no hay una serie de formulaciones de los principios de la termodinámica, cada uno requiere de sus versiones, respectivamente apropiados a la ley.

Aunque estos conceptos de temperatura y equilibrio térmico son fundamentales para la termodinámica y se especificaron con claridad en el siglo diecinueve, el deseo de numerar explícitamente la ley anterior fue hasta que Fowler y Guggenheim lo hicieron en la década de 1930, muchos años después de la primera, la segunda y la tercera ley que ya estaban reconocidas y establecidas ampliamente. Por lo tanto fue nombrada como la ley cero. La importancia de esta ley como base para las leyes anteriores es que permite la definición de la temperatura en una forma no circular sin hacer referencia a la entropía, su variable conjugada. Tal definición de la temperatura se dice que es "empírica".

Principios Termodinámicos

El Primer principio de la termodinámica puede estar establecido de muchas formas:

El incremento de la energía interna de un sistema cerrado es igual al calor suministrado al sistema menos el trabajo hecho por el sistema.

Para un ciclo termodinámico de un sistema cerrado, el cual regresa a su estado inicial, el calor que entra Q entra suministrado al sistema cerrado en una etapa del ciclo, menos el calor Q sale eliminado en la otra etapa del ciclo, es igual al trabajo neto realizado por el sistema.

EL incremento de la energía interna para un sistema adiabático aislado solo puede ser el resultado del trabajo neto realizado por el sistema, porque Q = 0.

Principios TermodinámicosEl segundo principio de la termodinámica indica la irreversibilidad de los procesos naturales, y, en muchos casos, la tendencia de los procesos naturales a conducir a la homogeneidad de la materia y energía, y especialmente de la temperatura. Puede ser formulada en una variedad de interesantes e importantes maneras.

Esto implica la existencia de una cantidad llamada entropía de un sistema termodinámico. En términos de esta cantidad implica que

Esta declaración del principio reconoce que en la termodinámica clásica, la entropía de un sistema es definida sólo cuando ha alcanzado su propio equilibrio termodinámico interno.

El segundo principio se refiere a una ancha variedad de procesos, reversibles e irreversibles. Todos los procesos naturales son irreversibles. Los procesos reversibles son una ficción teórica conveniente y no ocurren en naturaleza.

Un primer ejemplo de irreversibilidad es en la transferencia de calor por conducción o radiación. Se sabía mucho antes del descubrimiento de la noción de entropía que cuando dos cuerpos, inicialmente con temperaturas diferentes, entran en conexión térmica, el calor siempre fluye del cuerpo más caliente al más frío.

La segunda ley dice, también, sobre los tipos de irreversibilidad aparte de la transferencia de calor, por ejemplo fricción y viscosidad, y las reacciones químicas. La noción de entropía se necesita para disponer el más amplio alcance de la ley.

Principios Termodinámicos

La tercera ley de termodinámica a veces se indica como sigue:

La Entropía de un cristal perfecto de cualquier sustancia pura se aproxima a cero cuando la temperatura se aproxima al cero absoluto.

A temperatura cero el sistema debe estar en un estado con la energía térmica mínima. Esta afirmación es válida si el cristal perfecto tiene un sólo microestado. La entropía está relacionada con el número de posibles microestados de acuerdo con:

Donde S es la entropía del sistema, kB la constante de Boltzmann , y Ω el número de microestados (p. ej. configuraciones posibles de átomos). En el cero absoluto es posible sólo un microestado (Ω=1 cuando todos los átomos son idénticos para una sustancia pura y como resultado todos los órdenes son idénticos cuando hay sólo una combinación) y ln(1) = 0.

Una forma más general de la tercera ley, que aplica a un sistema como un vidrio, que puede tener más de un mínimo estado de energía microscópicamente distinto, o puede tener un estado microscópicamente distinto que está "congelado" aunque no estrictamente un estado mínimo de energía y no necesariamente hablando de un estado de equilibrio termodinámico, en el cero absoluto:

La entropía de un sistema se acerca a un valor constante como la temperatura se acerca a cero.

El valor constante (no necesariamente cero) es llamado la entropía residual del sistema.