Aproximación conceptual al estudio de la termodinámica

APROXIMACIÓN CONCEPTUAL AL ESTUDIO DE LA TERMODINÁMICA

Por: Luis Fernando Wilchez Contreras

Ibagué, 21 de junio de 2017

“Una teoría resulta más impresionante mientras más simple sean sus premisas, más diversos sean los objetos a que se refiere y más extenso sea su campo de acción”

Albert Einstein

Para abordar el estudio de una sustancia y los cambios que esta sufre pasando por varios estados diferentes en el tiempo, se puede plantear el problema desde diversos puntos de vista.

Primero, en función del comportamiento de las partículas que constituyen la sustancia objeto de estudio, de sus interacciones, del movimiento y de las propiedades de sus átomos. Este es el enfoque adoptado por la Mecánica Cuántica.

Segundo, en función de su comportamiento en el entorno de cada punto en un campo, donde se estudia el movimiento de los fluidos y las fuerzas que los provocan. Lo anterior hace referencia a la Mecánica de Fluidos.

Finalmente, en función del intercambio y transformación de la energía en un mismo sistema o entre sistemas y sus propiedades macroscópicas. Éste es el punto de vista que asume la Termodinámica.

Por lo anterior, incursionar en el estudio del intercambio y trasformación de energía en sus diversas formas, su interacción y el uso racional de las mismas, permitirá la construcción de entramados conceptuales básicos y estructuras lógicas que fundamentarán el estudio de la Termodinámica. Y no es justamente por la simpleza de las premisas como lo menciona Einstein que llama la atención el estudio de la Termodinámica, sino porque las leyes que se estudian allí tienen aplicación y vigencia en todos los fenómenos naturales que suceden a nuestro alrededor.

La palabra Termodinámica es usada por primera vez por W. Thomson en el año de 1850 que deriva de las palabras griegas “termo” (calor) y “dinamos” (potencia o fuerza) para referirse al estudio de los fenómenos que ocurren en un sistema, basada en leyes generales inferidas del experimento en función de las propiedades macroscópicas que exhibe una sustancia. “Su objetivo expresado mediante postulados es obtener relaciones entre propiedades macroscópicas de la materia cuando esta es sometida a diversos procesos” (Martin, 2015). Para su estudio, la Termodinámica adopta dos enfoques a saber: a) macroscópico, que estudia la materia sin ocuparse demasiado de las partículas que la conforman, y b) microscópico, que estudia la composición partículada de la materia.

No obstante, para delimitar el sistema objeto de estudio se hace necesario tomar una porción de dicho espacio y su contenido al que se llama sistema termodinámico, el cual se separa del resto del universo por una superficie limite real o ficticia llamada pared o frontera. Estas pueden ser móviles o rígidas cuando se experimentan cambios en el volumen de la sustancia, diatérmicas o adiabáticas si permiten o no el flujo de calor y permeables o impermeables si por el contrario lo que permiten es el flujo o no de materia a través del sistema. Bajo las consideraciones anteriores podemos clasificar los sistemas en abiertos o cerrados.

Son sistemas abiertos aquellos en los que el volumen permanece constante “volumen de control” y hay transferencia de materia a través de las fronteras. Por el contrario, son sistemas cerrados aquellos en los que la masa permanece constante “masa de control” y en este, no hay trasferencia de materia. Sin embargo, en cualquiera de los dos tipos de sistema es posible la transferencia de energía. Si no hay transferencia de energía, el sistema es aislado.

Ahora bien, en cualquier sistema hay variables que determinan el estado de las sustancias. Son variables termodinámicas la presión, el volumen, la temperatura, la composición química, el calor especifico, etc. Se pueden medir directamente y los valores obtenidos varían de acuerdo a ciertas propiedades macroscópicas. No obstante, para algunas que no son fáciles de medir dentro de un sistema como la Energía Interna, la Entalpia o la Entropía, se pueden expresar con la ayuda de variables de estado a las que se le denomina funciones de estado. Algunas características que definen las variables de estado en mención son:

Presión (p): fuerza compresiva normal por unidad de área, que actúa sobre una superficie sumergida en el seno de un fluido, es decir, la suma de todas las fuerzas debidas al impacto de partículas en unidad de área.

Volumen (V): es el espacio tridimensional que ocupa el sistema

Temperatura (T): capacidad de un cuerpo de transferir calor, por lo tanto, es una propiedad de los cuerpos que no se puede disociar de la materia tangible.

Calor especifico (C): cantidad de calor necesario para elevar en una unidad la temperatura de la unidad de masa de la sustancia en cuestión.

Se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando puede alcanzar un estado en el cual las variables termodinámicas alcanzan un valor constante en el tiempo y no hay interacción. Esto lleva consigo simultáneamente un equilibrio térmico, mecánico y químico, es decir, cuando la temperatura, la presión o la composición química es igual en todos los puntos del sistema, respectivamente. Si, por el contrario, el sistema experimenta una modificación interna o externa en algunas de sus variables de estado con el tiempo, se produce

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