Una visión general de la termodinámica
La física del calor
Una barra de metal caliente. Dave Rey/Getty Images
La termodinámica es la campo de la física que se ocupa de la relación entre calor y otras propiedades (como presión , densidad ,la temperatura, etc.) en una sustancia.
Específicamente, la termodinámica se enfoca en gran medida en cómo un transferencia de calor está relacionado con varios cambios de energía dentro de un sistema físico que experimenta un proceso termodinámico. Estos procesos suelen dar como resultado trabajar realizado por el sistema y son guiados por el leyes de la termodinámica .
Conceptos básicos de transferencia de calor
A grandes rasgos, el calor de un material se entiende como una representación de la energía contenida en las partículas de ese material. Esto se conoce como el teoría cinética de los gases , aunque el concepto se aplica en diversos grados a sólidos y líquidos también. El calor del movimiento de estas partículas puede transferirse a partículas cercanas y, por lo tanto, a otras partes del material u otros materiales, a través de una variedad de medios:
- Contacto Térmico es cuando dos sustancias pueden afectar la temperatura de la otra.
- Equilibrio termal es cuando dos sustancias en contacto termico dejan de ceder calor.
- Expansión térmica tiene lugar cuando una sustancia se expande en volumen a medida que gana calor. También existe la contracción térmica.
- Conducción es cuando el calor fluye a través de un sólido calentado.
- Convección es cuando las partículas calentadas transfieren calor a otra sustancia, como cocinar algo en agua hirviendo.
- Radiación es cuando el calor se transfiere a través de ondas electromagnéticas, como las del sol.
- Aislamiento es cuando se utiliza un material de baja conductividad para evitar la transferencia de calor.
Procesos Termodinámicos
Un sistema sufre un proceso termodinámico cuando hay algún tipo de cambio energético dentro del sistema, generalmente asociado con cambios en la presión, el volumen, la energía interna (es decir, la temperatura) o cualquier tipo de transferencia de calor.
Hay varios tipos específicos de procesos termodinámicos que tienen propiedades especiales:
- Proceso adiabático - un proceso sin transferencia de calor dentro o fuera del sistema.
- Proceso isocórico - un proceso sin cambio de volumen, en cuyo caso el sistema no funciona.
- Proceso isobárico - un proceso sin cambio de presión.
- Proceso isotérmico - un proceso sin cambio de temperatura.
Estados de materia
Un estado de la materia es una descripción del tipo de estructura física que manifiesta una sustancia material, con propiedades que describen cómo el material se mantiene unido (o no). Hay cinco Estados de materia , aunque solo los tres primeros generalmente se incluyen en la forma en que pensamos sobre los estados de la materia:
- gas
- líquido
- sólido
- plasma
- superfluido (como un Condensado de Bose-Einstein )
Muchas sustancias pueden hacer la transición entre las fases gaseosa, líquida y sólida de la materia, mientras que solo se sabe que unas pocas sustancias raras pueden entrar en un estado superfluido. El plasma es un estado distinto de la materia, como un rayo.
- condensación - gas a líquido
- congelación - líquido a sólido
- fusión - sólido a líquido
- sublimación - sólido a gas
- vaporización - líquido o sólido a gas
Capacidad calorífica
La capacidad calorífica, C , de un objeto es la relación del cambio de calor (cambio de energía, Δ q , donde el símbolo griego Delta, Δ, denota un cambio en la cantidad) a un cambio de temperatura (Δ T ).
C = re q / D T
La capacidad calorífica de una sustancia indica la facilidad con la que se calienta. A buen conductor termico tendría un baja capacidad calorífica , lo que indica que una pequeña cantidad de energía provoca un gran cambio de temperatura. Un buen aislante térmico tendría una gran capacidad calorífica, lo que indica que se necesita mucha transferencia de energía para un cambio de temperatura.
Ecuaciones de gases ideales
Hay varios ecuaciones de gases ideales que relacionan la temperatura ( T 1), presión ( PAGS 1), y volumen ( EN 1). Estos valores después de un cambio termodinámico están indicados por ( T 2), ( PAGS 2), y ( EN 2). Para una cantidad dada de una sustancia, norte (medido en moles), se cumplen las siguientes relaciones:
Ley de Boyle ( T es constante):
PAGS 1 EN 1= PAGS 2 EN 2
Ley de Charles/Gay-Lussac ( PAGS es constante):
EN 1/ T 1= EN 2/ T 2
Ley de los gases ideales :
PAGS 1 EN 1/ T 1= PAGS 2 EN 2/ T 2= norte
R es el constante de los gases ideales , R = 8,3145 J/mol*K. Por lo tanto, para una cantidad dada de materia, norte es constante, lo que da la Ley de los Gases Ideales.
Leyes de la Termodinámica
- Ley cero de la termodinámica - Dos sistemas cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema están en equilibrio térmico entre sí.
- Primera Ley de la Termodinámica - El cambio en la energía de un sistema es la cantidad de energía añadida al sistema menos la energía gastada haciendo trabajo.
- Segunda Ley de la Termodinámica - Es imposible que un proceso tenga como único resultado la transferencia de calor de un cuerpo más frío a uno más caliente.
- Tercera Ley de la Termodinámica - Es imposible reducir cualquier sistema al cero absoluto en una serie finita de operaciones. Esto significa que no se puede crear un motor térmico perfectamente eficiente.
La segunda ley y la entropía
La Segunda Ley de la Termodinámica se puede reformular para hablar de entropía , que es una medida cuantitativa del desorden en un sistema. El cambio de calor dividido por el temperatura absoluta es el cambio de entropía del proceso Definida de esta manera, la Segunda Ley puede reformularse como:
En cualquier sistema cerrado, la entropía del sistema permanecerá constante o aumentará.
Por ' sistema cerrado ' esto significa que cada parte del proceso se incluye al calcular la entropía del sistema.
Más sobre termodinámica
De alguna manera, tratar la termodinámica como una disciplina distinta de la física es engañoso. La termodinámica toca prácticamente todos los campos de la física, desde la astrofísica hasta la biofísica, porque todos tratan de alguna manera con el cambio de energía en un sistema. Sin la capacidad de un sistema para utilizar la energía dentro del sistema para realizar un trabajo, el corazón de la termodinámica, los físicos no tendrían nada que estudiar.
Habiendo dicho eso, hay algunos campos que usan la termodinámica de pasada mientras estudian otros fenómenos, mientras que hay una amplia gama de campos que se centran en gran medida en las situaciones termodinámicas involucradas. Estos son algunos de los subcampos de la termodinámica: