Definiciones termodinámicas presión temperatura calor
1. Definiciones termodinámicas :
1. Presión :
la presión es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en
dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una
determinada fuerza resultante sobre una línea. En el Sistema Internacional de Unidades la
presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a
una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado. En el Sistema
Inglés la presión se mide en libra por pulgada cuadrada (pound per square inch o psi) que es
equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pulgada cuadrada.
1.1. Presión Atmosférica:
La presión atmosférica es la fuerza por unidad de superficie que ejerce el aire sobre la superficie
terrestre.
La presión atmosférica en un punto coincide numéricamente con el peso de una columna
estática de aire de sección recta unitaria que se extiende desde ese punto hasta el límite superior
de la atmósfera. Como la densidad del aire disminuye conforme aumenta la altura, no se puede
calcular ese peso a menos que seamos capaces de expresar la variación de la densidad del
aire ρ en función de la altitud z o de la presión p. Por ello, no resulta fácil hacer un cálculo exacto
de la presión atmosférica sobre un lugar de la superficie terrestre. Además tanto la temperatura
como la presión del aire están variando continuamente, en una escala temporal como espacial,
dificultando el cálculo.
1.2. Presión absoluta:
La presión total ejercida sobre un objeto puede estar sujeto a varias presiones, la suma de
todas ellas es la presión absoluta
2. Temperaturas:
La temperatura es una magnitud física que expresa el grado o nivel de calor o frío de los
cuerpos o del ambiente. En el sistema internacional de unidades, la unidad de temperatura
es el Kelvin. A continuación, de forma generalizada, hablaremos de otras unidades de
medida para la temperatura.
En primer lugar podemos distinguir, por deci rlo así, dos categorías en las unidades de
medida para la temperatura: absolutas y relativas.
Absolutas son las que parten del cero absoluto, que es la temperatura teórica más
baja posible, y corresponde al punto en el que las moléculas y los átomos de un
sistema tienen la mínima energía térmica posible
2. - Kelvin (sistema internacional): se representa por la letra K y no lleva ningún
símbolo "º" de grado. Fue creada por William Thomson, sobre la base de grados
Celsius, estableciendo así el punto cero en el cero absoluto (-273,15 ºC) y
conservando la misma dimensión para los grados. Esta fue establecida en el
sistema internacional de unidades en 1954.
Relativas por que se comparan con un proceso fisicoquímico establecido que
siempre se produce a la misma temperatura.
- Grados Celsius (sistema internacional): o también denominado grado
centígrado, se representa con el símbolo ºC. Esta unidad de medida se define
escogiendo el punto de congelación del agua a 0º y el punto de ebullición del
agua a 100º , ambas medidas a una atmósfera de presión, y dividiendo la escala
en 100 partes iguales en las que cada una corresponde a 1 grado. Esta escala la
propuso Anders Celsius en 1742, un físico y astrónomo sueco.
- Grados Fahrenheit (sistema internacional): este toma las divisiones entre los
puntos de congelación y evaporación de disoluciones de cloruro amónico. Así
que la propuesta de Gabriel Fahrenheit en 1724, establece el cero y el cien en
las temperaturas de congelación y evaporación del cloruro amónico en agua.
Este utilizo un termómetro de mercurio en el que introduce una mezcla de hielo
triturado con cloruro amónico a partes iguales. Esta disolución salina
concentrada daba la temperatura más baja posible en el laboratorio, por aquella
época. A continuación realizaba otra mezcla de hielo triturado y agua pura, que
determina el punto 30 ºF, que después fija en 32 ºF (punto de fusión del hielo) y
posteriormente expone el termometro al vapor de agua hirviendo y obtiene el
punto 212 ºF (punto de ebullición del agua). La diferencia entre los dos puntos
es de 180 ºF, que dividida en 180 partes iguales determina el grado Fahrenheit.
3. Calor:
El calor se define como la transferencia de energía que se da entre diferentes cuerpos o
diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo
en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de
energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el
cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se
encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).
3.1. Trasferencia de Calor:
- La transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor
temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto
3. sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la
transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o
intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio
térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más
frío, como resultado de la segunda ley de la termodinámica. Cuando existe una diferencia
de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no
puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta.
3.2. Calor Especifico:
- El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay
que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar
su temperatura en una unidad. En general, el valor del calor específico depende del valor
de la temperatura inicial.1 2 Se le representa con la letra (minúscula).
De forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que
suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o
grado Celsius). Se la representa con la letra (mayúscula).
Por lo tanto, el calor específico es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa, esto
es donde es la masa de la sustancia.
3.3. Entropía:
- En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que, mediante
cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir
trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado,
crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo
irreversible de los sistemas termodinámicos. La palabra entropía procede
del griego (ἐντροπία) y significa evolución o transformación. Fue Rudolf Clausius quien le
dio nombre y la desarrolló durante la década de 1850;1 2 y Ludwig Boltzmann, quien
encontró en 1877 la manera de expresar matemáticamente este concepto, desde el punto
de vista de la probabilidad.
3.4. Capacidad calorífica:
La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica
transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que
experimenta. En una forma más rigurosa, es la energía necesaria para aumentar la temperatura
de una determinada sustancia en una unidad de temperatura. 1 Indica la mayor o menor
dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el
4. suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad
extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de
materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular. Por
ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso
de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión.
3.5. Entalpia:
- Entalpía Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra mayúscula, cuya
variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema
termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno.
En palabras más concretas, es una función de estado de la termodinámica donde la variación
permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación isobárica, es
decir, a presión constante en un sistema termodinámico, teniendo en cuenta que todo objeto
conocido se puede entender como un sistema termodinámico. Se trata de una transformación
en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la utilizada para un trabajo
mecánico). En este sentido la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado con el
ambiente exterior al sistema en cuestión.
Dentro del Sistema Internacional de Unidades, la entalpía se mide habitualmente en joules que,
en principio, se introdujo como unidad de trabajo.
El caso más típico de entalpía es la llamada entalpía termodinámica. De ésta, cabe distinguir
la función de Gibbs, que se corresponde con la entalpía libre, mientras que la entalpía molar es
aquella que representa un mol de la sustancia constituyente del sistema.
3.6. Calor sensible:
- Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su
temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado. En general,
se ha observado experimentalmente que la cantidad de calor necesaria para
calentar o enfriar un cuerpo es directamente proporcional a la masa del cuerpo y a
la diferencia de temperaturas. La constante de proporcionalidad recibe el nombre
de calor específico.
3.7. Calor latente:
5. Un cuerpo sólido puede estar en equilibrio térmico con un líquido o un gas a
cualquier temperatura, o que un líquido y un gas pueden estar en equilibrio térmico entre sí, en
una amplia gama de temperaturas, ya que se trata de sustancias diferentes. Pero lo que es
menos evidente es que dos fases o estados de agregación, distintas de una misma sustancia,
puedan estar en equilibrio térmico entre sí en circunstancias apropiadas.
Un sistema que consiste en formas sólida y líquida de determinada sustancia, a una presión
constante dada, puede estar en equilibrio térmico, pero únicamente a una temperatura
llamada punto de fusión simbolizado a veces como . A esta temperatura, se necesita cierta
cantidad de calor para poder fundir cierta cantidad del material sólido, pero sin que haya un
cambio significativo en su temperatura. A esta cantidad de energía se le llama calor de
fusión, calor latente de fusión o entalpía de fusión, y varía según las diferentes sustancias. Se
denota por .
4. Leyes termodinámicas:
4.1. Ley cero:
Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad
denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio
termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.
En palabras llanas: «Si pones en contacto un objeto con menor temperatura con otro con
mayor temperatura, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan».
Tiene una gran importancia experimental «pues permite construir instrumentos que midan la
temperatura de un sistema» pero no resulta tan importante en el marco teórico de la
termodinámica.
El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual
las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión,
volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial,
coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parámetro
cinético, asociado a nivel microscópico; el cual a su vez está dentro de la físico química y no
es parámetro debido a que a la termodinámica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial
y otro final. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se las conoce
como coordenadas térmicas y dinámicas del sistema.
Este principio fundamental, aún siendo ampliamente aceptado, no fue formulado
formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibiese el
nombre de principio cero.
4.2. Primera ley:
6. También conocida como principio de conservación de la energía para la
termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste
intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.
Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que
debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía
interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su
obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas
para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la
termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época, y más
tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera
matemática, las bases de la termodinámica.
4.3. Segunda ley:
Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y,
por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una
mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen).
También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la
energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones
para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en
cuenta sólo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de
una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no
intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser
mayor que cero.
4.4. Tercera ley:
Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado de Nernst como "la tercera de las leyes de la
termodinámica". Es importante reconocer que no es una noción exigida por la termodinámica clásica por
lo que resulta inapropiado tratarlo de «ley», siendo incluso inconsistente con la mecánica estadística
clásica y necesitando el establecimiento previo de la estadística cuántica para ser valorado
adecuadamente. La mayor parte de la termodinámica no requiere la utilización de este postulado. 13 El
postulado de Nernst, llamado así por ser propuesto por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar
una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse
también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un
valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo
temperaturas iguales al cero absoluto.