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Termodinámica Clásica
Conceptos fundamentales
Física Estadística
Maestría en Ciencias (Física) IFUAP
Lilia Meza Montes
Primavera 2016
Historia
Mecánica Clásica
(1833)
Electromagnetism
o (1873)
Mecánica Cuántica
(1926)
Ecuaciones de
(Lagrange) Hamilton
+ transformaciones
canónicas
Ecuaciones de
Maxwell + relaciones
constitutivas
+condiciones
Ecuación de
Schroedinger +
condiciones a la
frontera/iniciales
q,p
Trayectoria de la
partícula
Campos que
experimenta la
partícula
Estados cuánticos
(energía, función de
onda)
Probabilidad de
obtener valor de
variables
Macróscopico
Estados de muchas
partículas
Medios continuos
(muchas partículas)
Potencial
Potencial
Problema fundamental
¡  Cómo
describir un sistema formado
un numero grande de partículas?
¡  N~1023
en un cm3
¡  Metodología
particular, no solo
partículas (radiación)
¡  Aplicable no solo a fluidos, sólidos
Enfoques: Equilibrio
¡  Sistemas
en equilibrio
las cantidades termodinámicas no
cambian en el tiempo
¡  Macroscópico >1micra à
Termodinámica
¡  Microscópico: 10Å, dimensiones
atómicas à Mecánica estadística
Enfoque: fuera de equilibrio
¡  Termodinámica
irreversible (o
Mecánica estadística de procesos
irreversibles)
¡  Teoría
cinética: considera en detalle
interacciones entre partículas
Historia
¡  Bernoulli
(1738), Herapath (1821),
Joule (1851): teoría cinética de
gases
¡  Clausius(1857)
¡  Maxwell (1860)
¡  Boltzmann (1868-1871)
¡  Gibbs (1902)
¡  Planck (1900), Einstein, Bose,
Fermi-Dirac
Historia: Estructura Atómica
¡  John
Dalton (1803-1810):
- Cada elemento químico se compone de átomos de
un tipo único
- No puede ser alterado o destruido por medios
químicos
- Se combinan para formar sustancias
¡  Avogrado (1811) Dos gases con igual V, P, T
contienen el mismo número de moléculas.
Generalidades
¡ 
¡ 
¡ 
¡ 
¡ 
Estudio de las propiedades de la materia
cuando son afectadas por un cambio
de temperatura, sin considerar la
composición microscópica de la materia.
Fenomenológica (basada en
experimentos). Estadística (postuladosmicroscópico)
Leyes generales (postulados):
relacionan propiedades de cantidades
limitadas de materia.
Diversos sistemas
Microscópico: mecánica estadística
Ejemplo: nanoalambres de InAs
380 C
Wurzita
5 nm
480 C
Blenda
de zinc
410 C
Wurzita/ZB
100 nm
100 nm
50 nm
CONCEPTOS BÁSICOS
Definiciones
¡  Sistema
Energia
FRONTERA
termodinámico:
porción del universo
físico bajo estudio.
¡  Alrededores: Parte
del universo cercano
que interactúa con
sistema (intercambio
de energía)
Determinados por el Observador
Frontera: determina interacción con
alrededores
Paredes aislantes: no interacción
(excepto gravitacional, ignorada)
sistema aislado
¡  Paredes adiabáticas: no permiten
interacción mediante efectos no
mecánicos (impiden intercambio térmico)
sistema térmicamente aislado
¡  Paredes diatérmicas: no adiabáticas.
sistema en contacto térmico
¡ 
Modelo Físico
¡  Definimos
cantidades que pueden
ser medidas
(posición, presión, magnetización,etc.
en nuestro caso: variables o
coordenadas termodinámicas X, Y)
+
¡  Relaciones entre ellas
à podemos predecir comportamiento
EQUILIBRIO TERMODINAMICO
¡  LOS
VALORES NUMERICOS
ASIGNADOS A LAS VARIABLES
TERMODINÁMICAS NO VARÍAN CON
EL TIEMPO
ejemplo: sistema aislado siempre
oJo: pseudoequilibrio (equilibrio local)
Estado tiene que ser reproducible
En este curso: sistemas en equilibrio
+ teoría cinética
Dado un sistema, conocido un
subconjunto de variables termodinámicas
experimentalmente se encuentra que las
restantes están determinadas.
¡ 
Estado termodinámico: condición del
sistema en la que se han asignado valores
numéricos para los grados de libertad
Independientes entre sí:
Grados de libertad
Establecidos por experimento
Ejemplos
Sistema
Algunas variables (X,Y)
Fluidos y sólidos
Volumen,Presión
Sustancia Paramagnética
Magnetización, campo
magnético
Cable
Longitud, tensión
Dieléctrico
Polarización, campo eléctrico
Espacio de estados
¡  Espacio
abstracto: coordenadas son
las variables
(X,Y)
Proceso: cambio de
estado
Un punto=un estado
Y
Proceso
Cuasiestático:
sucesión de estados de
equilibrio (trayectoria)
Proceso Ciclico: puntos
coinciden
Proceso Irreversible
o no cuasiestático:
sin trayectoria
c/punto= un estado
X
Variables intensivas y extensivas
¡  Intensiva:
independiente del
tamaño o masa del sistema. No son
aditivas
¡  Extensivas:
sí dependen del tamaño
(volumen, etc.), aditivas.
Cantidades específicas: no dependen del tamaño del sistema
Ejemplos
Sistema
Intensiva
Extensiva
Fluidos y sólidos
Presión
Volumen
Sustancia
Paramagnética
Intensidad de
campo magnético
Magnetización
Cable
Tensión
Longitud
Dieléctrico
Campo eléctrico
Polarización
Definiciones
Valores especificos y:
variable extensiva Y/ otra extensiva (V)
Valor molal y*:
variable extensiva/número de moles ν
M Peso Molecular (peso de un mol)
1 gramo-mol=una masa en gramos igual al peso
molecular de la sustancia
*
Y
Y
y
y = = M= M
ν m
ρ
densidad
ρ=
m 1
=
V v
Cantidad molales: intensivas
Ley cero de la Termodinámica
¡ 
Si de tres sistemas A, B y C , A y B se
encuentran separadamente en equilibrio
con C, entonces A y B se encuentran en
equilibrio uno con el otro.
Define temperatura (grado de calentamiento)
Existe una función de las variables independientes
(Ecuación de estado, forma analítica depende
del sistema)
ϕ = ϕ ( X ,Y )
Generaliza a n variables
Ley Cero:
A y C, B y C en eq. àA y B en eq.
C
C
A
Pared aislante
B
A
B
Pared diatérmica
Temperatura
¡ 
¡ 
¡ 
Temperatura empírica: variable cuyo
valor numérico establece cuándo dos o
más sistemas, en contacto térmico entre
sí, se encuentran o no en equilibrio.
Valor numérico de ϕ(X,Y) para todos los
sistemas en equilibrio uno con otro.
Termómetro: sistema estándar para
medir temperatura.
Isotermas
Sistema S1
Sistema S2
Estados de S1 en equilibrio con estado de S2
X
Isoterma I
X
I’
(X’2,Y’2)
(X’1,Y’1)
Y
Y
I e I’ son isotermas correspondientes
Termómetro: sistema estándar
(interacción con otros
sistemas)
Sistema
Variables termodinámicas
X,Y
• Cambio de las propiedades
físicas (2) del termómetro
cuando entra en contacto
con otros sistemas
• Propiedad termométrica X:
varía (Y=cte)
• Definir escala
se fija ecuación de estado
Temperatura θ(X):
Depende de cada
termómetro
ϕ(X,Y)
Temperatura empírica
Sistema
Escala
X
X
θ=aX
Isotermas
θ
θ1
Y=cte
Y = cte
θ2
Y
θ1
θ
2
θ
Enumeración arbitraria: empírica
Forma simple : lineal
Estados de S1 en equilibrio con estado de S2
Escala: determinar pendiente a
¡  Fijar
estado estándar fácilmente
reproducible e invariante (punto
fijo). Se asigna un valor arbitrario θ
¡  Punto fijo: punto triple del agua
¡  θ = 273.16 K escala Kelvin
a= 273.16/Xt X en punto triple
θ = 273.16 X/Xt
Bibliografía
¡  Introducción
a laTermodinámica
clásica, L. García-Colín S.
¡  Heat
and Thermodynamics, W.
Zemansky
¡  Statistical Mechanics, K. Huang.