Termodinàmica
De Viquipèdia
La termodinàmica (del grec θερμo-, termos, que significa "calor"[1] i δύναμις, dinàmic, que significa "força")[2] és una branca de la física que estudia els efectes dels canvis de la temperatura, pressió i volum dels sistemes físics a un nivell macroscòpic. Aproximadament, calor significa "energia en trànsit" i dinàmica es refereix al "moviment", per la qual cosa, en essència, la termodinàmica estudia la circulació de l'energia i com l'energia infon moviment. Així, estudia els fenòmens físics relacionats amb la calor i la temperatura, és a dir, el moviment desordenat de les partícules que formen la matèria. Històricament, la termodinàmica es va desenvolupar a partir de la necessitat d'augmentar l'eficiència de les primeres màquines de vapor.
El punt de partida per a la major part de les consideracions termodinàmiques són les lleis de la termodinàmica, que postulen que l'energia pot ser intercanviada entre sistemes físics en forma de calor o treball. També es postula l'existència d'una magnitud anomenada entropia, que pot ser definida per a qualsevol sistema. A la termodinàmica s'estudien i classifiquen les interaccions entre diversos sistemes, fet que porta a definir conceptes com a sistema termodinàmic i el seu contorn. Un sistema termodinàmic es caracteritza per les seves propietats, relacionades entre si mitjançant les equacions d'estat. Aquestes es poden combinar per expressar l'energia interna i els potencials termodinàmics, útils per determinar les condicions d'equilibri entre sistemes i els processos espontanis.
Amb aquestes eines, la termodinàmica descriu com els sistemes responen als canvis en el seu entorn. Això es pot aplicar a una àmplia varietat de temes de ciència i enginyeria, tals com motors, transicions de fase, reaccions químiques, fenòmens de transport, i fins i tot forats negres. Els resultats de la termodinàmica són essencials per a altres camps de la física i la química, enginyeria química, enginyeria aeroespacial, enginyeria mecànica, biologia cel·lular, enginyeria biomèdica, i la ciència de materials per anomenar-ne alguns.
Taula de continguts |
[edita] Lleis de la termodinàmica
[edita] Primera llei de la termodinàmica
També conegut com a principi de conservació de l'energia per a la termodinàmica, estableix que si es realitza treball sobre un sistema o bé aquest intercanvia calor amb un altre, l'energia interna del sistema canviarà. Vist d'una altra manera, aquesta llei permet definir el calor com l'energia necessària que ha d'intercanviar el sistema per compensar les diferències entre treball i energia interna. Va ser proposada per Antoine Lavoisier.
L'equació de la conservació de l'energia és la següent:
Que aplicada a la termodinàmica tenint en compte el criteri de signes termodinàmic, queda de la forma:
[edita] Segona llei de la termodinàmica
Aquesta llei regula la direcció en què s'han de dur a terme els processos termodinàmics i, per tant, la impossibilitat que ocorrin en el sentit contrari, com per exemple, que una taca de tinta dispersada en l'aigua pugui tornar a concentrar-se en un petit volum. També estableix, en alguns casos, la impossibilitat de convertir completament tota l'energia d'un tipus a un altre sense pèrdues. D'aquesta manera, la segona llei imposa restriccions per a les transferències d'energia que hipotèticament poguessin dur a terme tenint en compte només el primer principi. Aquesta llei dóna suport a tot el seu contingut acceptant l'existència d'una magnitud física anomenada entropia tal que, per a un sistema aïllat, és a dir, que no intercanvia matèria ni energia amb el seu entorn, la variació de l'entropia sempre ha de ser més gran que zero.
Degut a aquesta llei també es té que el flux espontani de calor sempre és unidireccional, des dels cossos a temperatura més alta a aquells de temperatura més baixa. Existeixen nombrosos enunciats equivalents per definir aquest principi, destacant el de Clausius i el de Kelvin:
- Enunciat de Clausius. En paraules de Sears és: "No és possible cap procés que té com a únic resultat sigui l'extracció de calor d'un recipient a una certa temperatura i l'absorció d'una quantitat igual de calor per un recipient a temperatura més elevada".
- Enunciat de Kelvin. No hi ha cap dispositiu que, operant per cicles, absorbeixi calor d'una única font i el converteixi íntegrament en treball.
Una altra interpretació. És impossible construir una màquina tèrmica cíclica que transformi calor en treball sense augmentar l'energia termodinàmica de l'ambient. Degut a això podem concloure que el rendiment energètic d'una màquina tèrmica cíclica que converteix calor en treball sempre serà menor a la unitat i aquesta estarà més propera a la unitat com més gran sigui el rendiment energètic de la mateixa. És a dir, mentre més gran sigui el rendiment energètic d'una màquina tèrmica, menor serà l'impacte en l'ambient, i viceversa.
[edita] Tercera llei de la termodinàmica
La Tercera de les lleis de la termodinàmica, proposada per Walther Nernst, afirma que és impossible arribar a una temperatura igual al zero absolut mitjançant un nombre finit de processos físics. Pot formular també com que a mesura que un sistema donat s'aproxima al zero absolut, la seva entropia tendeix a un valor constant específic. L'entropia dels sòlids cristal·lins purs es pot considerar amb el valor de zero a temperatures iguals al zero absolut. No és una noció exigida per la termodinàmica clàssica, així que és probablement és inadequat parlar de "llei".
És important recordar que els principis o lleis de la termodinàmica són només generalitzacions estadístiques, vàlides sempre per als sistemes macroscòpics, però inaplicables a nivell quàntic. El dimoni de Maxwell exemplifica com es pot concebre un sistema quàntic que trenqui les lleis de la termodinàmica.
Així mateix, cal destacar que el primer principi, el de conservació de l'energia, és la més sòlida i universal de les lleis de la naturalesa descobertes fins ara per la ciència.
[edita] Llei zero de la termodinàmica
L'equilibri termodinàmic d'un sistema es defineix com la condició del mateix en el qual les variables empíriques usades per definir un estat del sistema (pressió, volum, camp elèctric, polarització, magnetització, tensió lineal, tensió superficial, entre d'altres) no són dependents del temps. A aquestes variables empíriques (experimentals) d'un sistema se'ls coneix com coordenades termodinàmiques del sistema.
A aquest principi s'anomena de l'equilibri termodinàmic. Si dos sistemes A i B estan en equilibri termodinàmic, i B està en equilibri termodinàmic amb un tercer sistema C, llavors A i C estan al seu torn en equilibri termodinàmic. Aquesta principi és fonamental, tot i ser àmpliament acceptat; no va ser formulat formalment fins després d'haver enunciat les altres tres lleis. D'aquí que rep la posició 0.
[edita] Termometria
La termometria s'encarrega de la mesura de la temperatura de cossos o sistemes. Per aquest fi, s'utilitza el termòmetre, que és un instrument que es basa en el canvi d'alguna propietat de la matèria a causa de l'efecte de la calor. Així, existeix el termòmetre de mercuri i d'alcohol, que es basen en la dilatació, els termoparells que es basen en el canvi de la conductivitat elèctrica, i els òptics que detecten la variació de la intensitat del raig emès quan es reflecteix en un cos calent. Per poder construir el termòmetre s'utilitza el Principi zero de la termodinàmica.
[edita] Temperatura empírica d'un sistema en base a la llei zero
Existeix la demostració de l'existència de la temperatura empírica d'un sistema en base a la llei zero. Per a dos sistemes en equilibri termodinàmic representats per les seves respectives coordenades termodinàmiques (X1, Y1) i (X2, Y2) observem que aquestes coordenades no són funció del temps, per tant és possible trobar una funció que relacionem aquestes coordenades, és a dir:
Siguin tres sistemes hidrostàtic, A, B, C, representats per les seves respectives termodinàmiques: (Pa, Va), (Pb, Vb), (Pc, Vc). Si A i C estan en equilibri ha d'existir una funció tal que:
És a dir:
On les funcions f1 i g1 depenen de la naturalesa dels fluids. Anàlogament, per a l'equilibri dels fluids B i C:
És a dir:
Amb les mateixes consideracions que les funcions, f2 i g2 depenen de la naturalesa dels fluids. La condició donada per la llei zero de la termodinàmica de que l'equilibri tèrmic d'A amb C i B amb C implica així mateix equilibri d'A i B es pot expressar matemàticament com:
Això ens porta a la següent expressió:
Llavors, arribem a la conclusió que les funcions g1 i g2 han de ser de naturalesa tal que es permeti l'eliminació de la variable termodinàmica comú Vc. Una possibilitat, que es pot demostrar com a única, és:
Així mateix:
Un cop cancel·lades totes les parts que contenen a Vc podem representar:
I mitjançant una simple repetició de l'argument, tenim la següent expressió:
I així successivament per a qualsevol nombre de sistemes en equilibri termodinàmic.
Amb aquesta seqüència hem demostrat que per a tots els sistemes que es trobin en equilibri termodinàmic entre sí hi ha les respectives funcions en les que els valors numèrics són iguals per a cadascun d'aquests sistemes en equilibri. Aquest valor numèric pot ser representat amb la lletra grega θ i serà definit com la temperatura empírica dels sistemes en equilibri termodinàmic.
Així, tenim que tot equilibri termodinàmic entre dos sistemes és equivalent a un equilibri tèrmic dels mateixos, és a dir, a una igualtat de les temperatures empíriques d'aquests sistemes.
[edita] Escales de temperatura: Celsius, Kelvin i Fahrenheit
Una propietat termomètrica d'una substància és aquella que varia en el mateix sentit que la temperatura, és a dir, si la temperatura augmenta el seu valor, la propietat també ho farà, i viceversa. El que es necessita per construir un termòmetre són punts fixos, és a dir, processos en els quals la temperatura roman constant. Exemples de processos d'aquest tipus són el procés d'ebullició i el procés de fusió.
Els punts generalment utilitzats són el procés d'ebullició i de solidificació d'alguna substància, durant els quals la temperatura roman constant.
Hi ha diverses escales per mesurar temperatures, les més importants són:
[edita] Escala Celsius
Per aquesta escala, es prenen com a punts fixos, els punts d'ebullició i de solidificació de l'aigua, als quals se'ls assignen els valors de 100 i 0 respectivament. En aquesta escala, aquests valors s'escriuen com a 100 ° i 0 °. Aquesta unitat de mesura és llegeix com a grau Celsius i es denota per [°C]. El grau Celsius, representat pel símbol °C, és la unitat creada per Anders Celsius per a la seva escala de temperatura. Es va fer servir com a referència per al kelvin i és la unitat de temperatura més utilitzada internacionalment.
A partir de la seva creació el 1750 va ser anomenada grau centígrad (s'escrivia °c, en minúscula). Però el 1948 es va decidir el canvi en la denominació oficial per evitar confusions amb la unitat d'angle també anomenada grau centígrad (grau geomètric), encara que la denominació prèvia es segueix emprant extensament en l'ús col·loquial.
Fins 1954 es va definir assignant el valor 0 a la temperatura de congelació de l'aigua, el valor 100 a la de temperatura d'ebullició-ambdues mesures a una atmosfera de pressió-i dividint l'escala resultant en 100 parts iguals, cada una d'elles definida com 1 grau. Aquests valors de referència són molt aproximats però no correctes per la qual cosa, a partir de 1954, es defineix assignant el valor 0,01 °C a la temperatura del punt triple de l'aigua i definint 1 °C com la fracció 1/273, 16 de la diferència amb el zero absolut.
La magnitud d'un grau Celsius (1 °C) és equivalent a la magnitud d'un kelvin (1 K), ja que aquesta unitat es defineix com igual a la primera. No obstant això, les escales són diferents perquè l'escala Kelvin pren com a valor 0 el zero absolut. Atès que al zero absolut correspon un valor de -273,15 °C, la temperatura expressada en graus Celsius i kelvins difereix en 273,15 unitats. La conversió de graus Celsius a graus Fahrenheit s'obté multiplicant la temperatura a Celsius per 1,8 (9/5) i sumant 32.
[edita] Escala Kelvin o absoluta
En aquest cas, l'escala va ser establerta a partir de l'escala Celsius, on el valor de 0 ° correspon al zero absolut, temperatura a la qual les molècules i àtoms d'un sistema tenen la mínima energia tèrmica possible. Cap sistema macroscòpic pot tenir una temperatura inferior. En escala Celsius aquesta temperatura correspon a -273 º C. Aquesta unitat de mesura es llegeix Kelvin i es representa amb el símbol [K]. Aquesta unitat s'anomena també Escala absoluta i és també la unitat adoptada pel Sistema Internacional d'Unitats.
Atès que 0 K corresponen a -273 °C, es pot trobar una fórmula de conversió, entre l'escala Celsius i l'escala Kelvin, de la manera següent:
- T = tc + 273°
La lletra T representa la temperatura en Kelvin i la lletra tc representa la temperatura en graus Celsius.
[edita] Escala Fahrenheit
En aquesta escala també es van utilitzar punts fixos per construir, però en aquest cas van ser els punts de solidificació i d'ebullició del clorur amònic en aigua. Aquests punts es van marcar amb els valors de 0 i 100 respectivament. La unitat d'aquesta escala s'anomena grau Fahrenheit i es representa amb el símbol [°F]. Atès que en escala Celsius, els valors de 0 °C i 100 °C corresponen respectivament a 32 °F i 212 °F respectivament, la fórmula de conversió de graus Celsius a Fahrenheit és:
- tf =
tc + 32°
Aquí el símbol tf representa la temperatura en graus Fahrenheit i el símbol tc representa la temperatura en graus Celsius.
[edita] Referències
[edita] Vegeu també
- Cicle termodinàmic
- Principi zero de la termodinàmica
- Primer principi de la termodinàmica
- Segon principi de la termodinàmica
- Tercer principi de la termodinàmica
- Zero absolut
- Temperatura
[edita] Enllaços externs
- Webs educatives sobre termodinàmica (anglès)
- Termodinàmica a ScienceWorld (anglès)
- Història de la termodinàmica (anglès)
- Shakespeare i la termodinàmica (anglès)
- Termodinàmica bioquímica (anglès)
- Termodinàmica i mecànica estadística (anglès)
|
|||||
