LA TERMODINÁMICA es una rama fundamental de la Química y Física

INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA

Barros. T,

Universidad de las Fuerzas Armadas – ESPEL

tomasandrebarros@gmail.com

Resumen

En este documento se presentará de forma categórica y ordenada los distintos conceptos alusivos a la Termodinámica, con sus respectivas definiciones y explicaciones, se detallaron y generaron las distintas ecuaciones rigentes de los diversos sistemas y fenómenos Físico Químicos; con conceptos teóricos y matemáticos, a fin de mejorar, fortalecer y ampliar los conocimientos que se maneje del tema, el autor, basado en la investigación y búsqueda de información científica; generalizo conceptos y fundamentos matemáticos haciendo del presente documento una síntesis lo mejor explicada y detallada de los términos que se verán necesarios conocer a futuro, se analizó el trabajo investigativo de diversos autores y fuentes para así recopilar información verídica y de calidad.

1. Introducción

La termodinámica es una rama fundamental de la Química y Física, que se centra en el estudio macroscópico de la naturaleza en equilibrio, sin embargo, resulta en la mayoría de los casos muy poco popular entre los estudiantes. Esto puede ser debido a que el estudio termodinámico de un proceso quimicofísico se suele abordar mediante un planteamiento matemático muy riguroso, donde la derivación de todas las ecuaciones tiene un peso importante con lo que el estudiante pierde la visión macroscópica del fenómeno estudiado.

Se presentaron dificultades al momento de realizar la investigación, principalmente en la búsqueda de información de calidad y con coherencia en base a la presente, el recurso en línea facilito la búsqueda de la información.

1. Desarrollo

2.1. Termodinámica

La traducción etimológica de la palabra Termodinámica viene de griego thermo (calor) y dynamis (fuerzas), que significa el estudio de las fuerzas que originan el calor.

Sin embargo, en la actualidad la definición etimológica no resulta aplicable del todo, ya que la Termodinámica se ha dedicado al estudio no solo del calor, si no de los distintos tipos o fuentes de energía, llámese: nuclear, química, mecánica, etc. Siguiendo la definición que nos trae la Real Académica de la Lengua Española (RAE), la termodinámica es: “Parte de la física en que se estudian las relaciones entre el calor y las restantes formas de energía, así como la ciencia que estudia las transformaciones energéticas.”

Al ser una ciencia de diversos usos y aplicaciones, es también aplicada e utilizada en la ingeniería. Se sabe entonces que: “Los ingenieros utilizan los principios derivados de la Termodinámica y otras ciencias de la ingeniería, tales como la Mecánica de Fluidos y la Transferencia de Calor y Masa, para analizar y diseñar objetos destinados a satisfacer las necesidades humanas.” (Moran. M, Saphiro. H, 2005, p. 1). Se deduce entonces que las aplicaciones de la Termodinámica se amplían y generan aún más conocimientos que se ven reflejados en el entendimiento del entorno del ser humano.

Antes de continuar con los principios o leyes de la Termodinámica es necesario generar una definición de ciertos conceptos básicos de la misma:

• Exergía. - Parte transformable de un proceso termodinámico.
• Anergía. - Parte no transformable de un proceso termodinámico.
• Equilibrio Térmico. – Se puede identificar a un sistema con equilibrio térmico cuando las partes involucradas poseen la misma temperatura.
• Pared adiabática. - Es una membrana u objeto que impide que el equilibrio térmico sea alcanzado.

[pic 1]

Figura 1. Sistema termodinámico con pared adiabática.

• Equilibrio mecánico. – Se alcanza cuando dos sistemas poseen la misma presión.

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Figura 2. Sistema de Equilibrio mecánico.

• Medio exterior. – “Se denomina medio exterior al conjunto de sistemas que esté influyendo sobre el sistema en estudio. La influencia puede ser térmica debida a una diferencia de temperaturas y/o mecánica debida a una diferencia de presiones.” (Agüera. J, 2011, p. 11).

Dentro de los conceptos básicos se debe diferenciar también los distintos tipos de sistemas presentes, generándose tres:  

1. Sistema abierto. – Es aquel que tiene la capacidad de intercambiar energía y materia con el entorno en el cual se encuentre participando.
2. Sistema cerrado. – Se identifica por ser aquel que solo posee la capacidad de intercambiar energía mas no materia.
3. Sistema aislado. – Siendo el más complejo de hallar en perfección, un sistema aislado responde a aquel que no intercambia materia ni energía con su entorno.

2.1.1. Principios de la Termodinámica

• Principio cero de la Termodinámica.

"Si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, deben estar en equilibrio térmico entre sí". (Howell. J, Buckius. R, 1990, p. 120).

Este principio al verse generado después de establecidos los principios uno y dos, fue denominado “principio cero” ya que es quien nos sirve de base para los siguientes y permite definir el concepto de temperatura.

• Primer Principio de la Termodinámica.

“Esta ley también recibe el nombre de conservación de la energía. El balance de energía se enuncia como sigue: Un cambio de la energía total (cinética, potencial e interna) es igual al trabajo realizado en la masa de control más el calor transferido a dicha masa” (Howell. J, Buckius. R, 1990, p. 122, 123). Matemáticamente lo anterior mencionado se expresa como:

                                                                                                                              (1)[pic 3]

La ecuación (1) se integra entre dos estados, obteniendo

                                                                                                                        (2)[pic 4]

La energía total que contiene la masa de control se expresa por

                                                                                                                                  (3)[pic 5]

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