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Científicos que intervinieron en su desarrollo :
N.L.SADI CARNOT
R.L.CLAUSIUS
J.R. MAYER
H.Von HELMHOLTZ
Francia 1796-1832
Alemania 1822-1888
Alemania 1814-1878
Alemania 1821-1894
L.BOLTZMANN
J.P. JOULE
J.W. GIBBS
M.PLANCK
Alemania 1844-1906
Inglaterra 1818-1889
USA 1839-1903
Alemania 1858-1947
Según el modelo cinético-molecular, cualquier cuerpo puede ser considerado
como un conjunto de partículas (sistema) en movimiento que interaccionan
entre sí, según describen las leyes de la mecánica. Este sistema debe poseer
una energía formada por la energía potencial de interacción entre las partículas
y por la energía cinética, debida a su movimiento.
V
Para
se puede contabilizar su energía
cinética mv2/2 y su energía potencial como
la suma de la debida a las interacciones
con todas las demás. La energía interna
sería la suma de todas las contribuciones
de cada partícula.
Nuestro concepto intuitivo de temperatura la asocia con cuán caliente o frío
sentimos un objeto o el ambiente, etc. Sin embargo nuestros sentidos no son
confiables en este aspecto, ni sirven para poder hacer de la temperatura una
magnitud.
Podemos hacer de ella un concepto preciso y cuantitativo (o sea definirla
como magnitud) a partir de otros dos conceptos:
Es el estado en que se encuentran dos cuerpos si
entre ellos puede intercambiarse energía.
Es el estado en que se encuentran dos
cuerpos que, estando en Contacto
Térmico, no intercambian energía
Cuerpo “frío”
Cuerpo
“caliente”
Energía
Al estar en Contacto Térmico, se
produce transferencia de energía
Esta energía en tránsito es lo
que llamamos Calor
Algún tiempo después…
Siguen en CT, pero ya no hay transferencia de energía
Decimos que están en Equilibrio
Térmico
Es la propiedad que determina si dos cuerpos se encuentran en Equilibrio Térmico.
Dos cuerpos en equilibrio térmico entre sí, se
encuentran a la misma temperatura
Es una propiedad intensiva. No depende de la cantidad de materia considerada.
Desde un punto de vista microscópico, la temperatura de un cuerpo está
relacionada con la velocidad del movimiento de traslación de las moléculas que lo
forman, o sea con su energía cinética.
Principio cero de la Termodinámica: Si dos objetos por separado se
encuentran en ET con un tercero, entonces, se encuentran en ET entre sí.
Es la energía que fluye de un cuerpo
a otro, cuando entre ambos existe
una diferencia de temperatura.
¿Qué efecto produce esta transferencia de energía?
Produce Equilibrio Térmico y cambia la energía interna
de los cuerpos y generalmente, aunque no siempre, la
temperatura.
Tanto la energía transferida (calor) como la energía interna son propiedades
extensivas. Dependen de la cantidad considerada. El océano y un vaso de
agua pueden estar a la misma temperatura, pero el primero tendrá una
energía interna mucho mayor.
Termómetro: Es un instrumento que varía alguna propiedad observable con
la temperatura.
Este es un modelo muy común: Un tubo de vidrio capilar
(muy pequeño diámetro) pero de paredes gruesas, con
un líquido fácilmente visible en su interior. El líquido varía
su volumen con la temperatura y con ello la longitud de la
columna.
Entonces, basta con ponerlo en CT con el cuerpo que queremos medir,
esperar que se alcance el ET y observarlo.
Por supuesto, es necesario definir la unidad de medición y la escala.
Escala Celsius o centígrada: Define los valores 0 y 100 como los de
equilibrio entre el agua líquida y el hielo y entre el agua líquida y el vapor,
respectivamente, ambas a la presión de 1 atmósfera. El intervalo resultante
se divide en 100 partes iguales, siendo cada parte = 1 º C
Escala Absoluta: A partir de las propiedades que presentan los gases
puede deducirse que la temperatura más baja teóricamente posible es de
-273,15ºC. En la escala Absoluta o Kelvin, éste es el punto 0 y el tamaño
de la unidad se hace igual al ºC.
Entonces para obtener una temperatura en K, debe sumarse 273,15 a la
temperatura en ºC.
Otras escalas usuales.
Casi todas las propiedades de las sustancias varían, a veces fuertemente, al
variar la temperatura.
Al moverse las moléculas a mayor velocidad, el conjunto ocupa más
espacio. Por eso, a mayor temperatura corresponde mayor volumen, con
la notable excepción del agua entre 0º y 4º C. Esto se traduce en menor
densidad.
Pero también cambian la conductividad eléctrica y térmica, el índice de
refracción, la diferencia de potencial entre materiales distintos puestos en
contacto, las solubilidades, etc.
Estas variaciones se aprovechan en la construcción de distintos tipos de
termómetros
Las sustancias puras tienen valores característicos de la temperatura (junto
con la presión) a los cuales cambian de estado de agregación. Punto de
fusión, punto de ebullición.
También tienen un valor característico de la energía necesaria asociada con
una variación determinada de su temperatura y con la transición entre estados.
Calor específico
Calor latente
Q = Ce.m. DT
Q = Energía involucrada en el
cambio de temperatura DT de una
masa m de una sustancia de calor
específico Ce.
Q = CL.m
Q = Energía involucrada en el
cambio de estado de una masa m
de una sustancia de calor latente
CL.
Esencialmente se trata del Principio de Conservación de la Energía visto
en Mecánica.
En la Termodinámica aparece el calor (que se puede generalizar a cualquier
forma de trabajo no mecánico) como una manifestación de la Energía, que se
agrega al Trabajo Mecánico.
DU  U  U 0  L  Q
DU  U  U 0
Variación de la energía interna del sistema.
L
Trabajo mecánico entregado al sistema.
Q
Energía entregada al sistema como calor u
otras formas.
Un ejemplo
Se provoca la explosión de una misma cantidad de nafta, con la misma cantidad de
oxígeno y en las mismas condiciones iniciales, en una bomba calorimétrica (no hay
expansión) y en el interior de un cilindro con émbolo (símil motor a explosión)
termómetro
Agua inicialmente fría
¿cuál termómetro alcanza mayor temperatura?
¿qué indica la temperatura de escape de un auto sobre la
eficiencia del motor?
A nivel macroscópico distinguimos tres mecanismos de transferencia de
energía, provocada por diferencias de temperatura (calor)
Conducción: Ocurre por contacto físico. Hay transporte de energía pero
no de materia. Las partículas con más energía se la comunican, mediante
choques a sus vecinas. Los metales son los mejores conductores.
Convección: La energía se transporta junto con la materia, que se mueve
por diferencias de densidad (convección natural) o impulsada artificialmente
(convección forzada). Ocurre en los fluidos (líquidos o gases)
Radiación: La energía se transporta mediante ondas electromagnéticas,
a distancia y a través del espacio vacío
Si durante cierto tiempo se
mantienen ambas caras de
una placa a temperaturas
diferentes ,
T2 > T1 …
…se establecen un perfil de
temperaturas, dentro de la placa
y un flujo de energía a través de
ella que cumplen:
P
Q
DT
 k  A
Dt
Dx
Potencia transmitida =
Energía por unidad de
tiempo
Constante de
conductividad
térmica del material
T
T2
Q
T1
Dx
x
Ley de Fourier de
conducción del
calor
Reconsideremos un proceso ya visto.
Cuerpo
“frío”
Cuerpo
“caliente”
Energía
Energía
¿Sería posible que el estado 2 fuese anterior al 1?
La experiencia indica que no. Nunca podría espontáneamente
producirse un flujo de energía como el mostrado.
Tampoco esperaríamos que de un bolillero conteniendo muchísimas bolillas
numeradas, éstas fuesen saliendo en orden.
O que el aire se separara espontáneamente en sus gases componentes
(oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, etc).
¡O que tomando letras al azar se escribiera espontáneamente el Martín Fierro!
Sin embargo estos hipotéticos procesos no violan la primera ley (conservación
de la energía) y , aunque no lo parezca, están estrechamente relacionados.
¡Debe haber un principio universal que describa este
comportamiento del universo, describiendo la dirección
en la que ocurren los procesos espontáneos!
Se puede enunciar de distintas maneras equivalentes, para distintos tipos de
procesos, pero teniendo en cuenta el modelo cinético molecular de la materia,
puede formularse de una manera muy general:
Esto no es más que una consecuencia de que los sistemas con muchos
componentes, al tener muchas configuraciones posibles, presentan baja
probabilidad de estar en una determinada.
Estrictamente hablando, no es imposible que cualquiera de los procesos
descritos antes ocurra en sentido contrario al esperado. Sólo es tan
improbable, que es prácticamente imposible que así ocurra.
Ejemplo:
Si arrojamos dos monedas, no es tan improbable obtener un resultado
determinado. Sólo hay cuatro configuraciones posibles de este sistema.
Pero si arrojamos diez monedas, el número de resultados posibles es 210 = 1024 y sólo dos
de éstos corresponden a estados totalmente ordenados y unos pocos (20) a estados
bastante ordenados (9 “caras” o 9 “cecas”). Si elevamos el número de monedas a 1000, el
resultado es un número con ¡300 dígitos enteros!
Y cualquier pequeña porción de sustancia (digamos 10g) contiene del orden de
10.000.000.000.000.000.000 de átomos/moléculas (monedas).
Eso significa que sea imposible a todos los fines prácticos, que esa inimaginable cantidad
de partículas, cada una de las cuales tiene dos o más estados posibles (de posición,
energía, velocidad, etc) tenga una configuración “ordenada” (Todas con la misma velocidad
o energía, todas del mismo lado de una membrana, etcétera)
Consideraciones sobre la transformación del calor en trabajo mecánico
llevaron a Clausius a formular con precisión el segundo principio. Demostró
que su esencia es el aumento inevitable de una magnitud, a la que llamó
entropía, definida como la relación entre el calor transferido y la
temperatura.
dS 
dQ
T
Posteriormente Boltzmann y Planck demostraron la relación entre entropía y
desorden:
S  k  ln W
S= entropía
k= constante de Boltzmann
W= probabilidad del estado cuya entropía es S
Es por esto que también podemos formular el segundo principio:
La entropía está relacionada, entonces, con el grado de diversidad de
los estados de un sistema.
Shannon definió entropía de la información:
H(X)   p(x)  log p(x)
x
p(x) es la probabilidad de un estado determinado (x).
Esta definición es idéntica a la dada por la termodinámica estadística para la
entropía.
El concepto tiene importancia fundamental en la codificación y compresión de datos.