Mecánica Termodinámica

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Mecánica Termodinámica

Mensaje por Gianfranco Chiavelli el Sáb Feb 20, 2016 11:00 pm

Es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. El Diccionario de la lengua española de la Real Academia Española, por su parte, define a la termodinámica como la rama de la física encargada del estudio de la interacción entre el calor y otras manifestaciones de la energía. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes, tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden tratarse por medio de la termodinámica.

La termodinámica es una disciplina que se encuadra dentro de la física y que se aboca al estudio de los fenómenos relativos al calor. El interés de la termodinámica se centra especialmente en considerar la manera en que se transforman las distintas formas de energía y la relación existente entre estos procesos y la temperatura. En efecto, existen evaluaciones que establecen que el desarrollo de la disciplina se hizo a la par de un intento por lograr una mayor eficiencia en el uso de máquinas, eficiencia que implicaba que se pierda la menor cantidad de energía bajo la forma de calor.

La termodinámica y sus leyes

La termodinámica tiene una serie de leyes que dan cuenta de la manera en que se comporta la energía. La primera de ellas es el denominado principio de conservación de la energía, principio que establece que la energía no puede ser creada ni destruida sino tan solo transformada en otra forma; de esta manera, el calor no es sino una forma de energía que derivará de otras, como por ejemplo el trabajo. En cuanto al segundo principio de la termodinámica, el mismo establece que existe en un sistema cerrado un proceso de entropía en aumento, entendiendo por entropía un proceso de caos en el que la energía se vuelve inutilizable. Finalmente, la tercera ley de la termodinámica establece que es imposible alcanzar el ceo absoluto en un sistema mediante un número finito de pasos.

Existe además de las mencionadas leyes un principio cero que establece que distintos sistemas térmicos alcanzarán un equilibrio entre sí si están de alguna manera en contacto. Así, si un sistema A está en contacto con un sistema B y este sistema B está en contacto con otro sistema C, finalmente todos ellos alcanzarán el equilibrio, es decir, tendrán la misma temperatura. Este principio lleva a colegir que el universo tuvo un comienzo y dista de ser estático, porque de lo contrario ya debería haber alcanzado el equilibrio.

Estudio de la termodinámica como disciplica

Para finalizar, cabe señalarse que la termodinámica como disciplina se desarrolló a lo largo de varios siglos, siempre teniendo el interés de hacer un mejor uso de la energía. Es por esto que la misma estuvo siempre ligada a distintas invenciones y experimentaciones, siempre con una fuerte arista práctica. Hoy en día, la misma es enormemente descriptiva de los fenómenos que tienen lugar en lo que respecta a la energía y especialmente en lo que hace referencia a los procesos relacionados con el calor.

Principio cero de la termodinámica
El principio cero de la termodinámica es una ley fenomenológica para sistemas que se encuentran en equilibrio térmico. Fue formulado por primera vez en 1931 por Ralph H. Fowler. Constituye una gran importancia experimental —pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema— pero no lo es tanto para la propia estructura de la teoría termodinámica.

El principio establece que existe una determinada propiedad, denominada temperatura empírica \theta, que es común para todos los estados de equilibrio que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

Primer principio de la termodinámica
El primer principio de la termodinámica o primera ley de la termodinámica es un principio que refleja la conservación de la energía en el contexto de la termodinámica. Más específicamente el principio se puede formular como:

En un sistema cerrado adiabático (que no hay intercambio de calor con otros sistemas o su entorno, como si estuviera aislado) que evoluciona de un estado inicial A a otro estado final B, el trabajo realizado no depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido.

Segundo principio de la termodinámica
El segundo principio de la termodinámica o segunda ley de la termodinámica,expresa que:

La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo.

El segundo principio de la termodinámica dictamina que la materia y la energía no se pueden crear ni destruir, sino que se transforman, y establece el sentido en el que se produce dicha transformación. Sin embargo, el punto capital del segundo principio es que, como ocurre con toda la teoría termodinámica, se refiere única y exclusivamente a estados de equilibrio. Toda definición, corolario o concepto que de él se extraiga sólo podrá aplicarse a estados de equilibrio, por lo que, formalmente, parámetros tales como la temperatura o la propia entropía quedarán definidos únicamente para estados de equilibrio. Así, según el segundo principio, cuando se tiene un sistema que pasa de un estado de equilibrio A a otro B, la cantidad de entropía en el estado de equilibrio B será la máxima posible, e inevitablemente mayor a la del estado de equilibrio A. Evidentemente, el sistema sólo hará trabajo cuando esté en el tránsito del estado de equilibrio A al B y no cuando se encuentre en uno de estos estados. Sin embargo, si el sistema era cerrado, su energía y cantidad de materia no han podido variar; si la entropía debe de maximizarse en cada transición de un estado de equilibrio a otro, y el desorden interno del sistema debe aumentar, se ve claramente un límite natural: cada vez costará más extraer la misma cantidad de trabajo, pues según la mecánica estadística el desorden equivalente debe aumentar exponencialmente.

Tercer principio de la termodinámica
El tercer principio de la termodinámica o tercera ley de la termodinámica, más adecuadamente Postulado de Nernst afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas. Sucintamente, puede definirse como:

al llegar al cero absoluto, 0 K, cualquier proceso de un sistema físico se detiene.
al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y constante.

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Gianfranco Chiavelli
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