Naturaleza de la Termodinámica, Ley Cero y Temperatura Presión

Naturaleza de la termodinámica

Termodinámica, proveniente del griego thermo (termo) es calor como dynamis (dinámica) trabajo; es la ciencia de la energía e imprescindible para cualquier rama de la ingeniería o de la física-química. Termodinámica es el estudio de la energía, de su forma, sus transformaciones y aplicaciones. Sabemos lo que es energía, sin embargo, es difícil poder definirla totalmente, más aún, podemos decir de forma general que energía es la capacidad de generar cambios.

Si la energía es lo que data la termodinámica, la base de la misma es la observación experimental al igual que muchas otras ciencias, y de estas observaciones es que podemos encontrar la ley cero (base de la medición de temperaturas), primera ley de la termodinámica (principio de conservación de la energía, donde la energía es una propiedad termodinámica) y la segunda ley de la termodinámica (la energía tiene calidad como cantidad, los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de energía). La termodinámica fue principalmente una energía, para luego convertirse en una ciencia.

Años anteriores las personas subsistían de lo que estas producían, mas ahora sin embargo una pequeña parte de la población es que la que se encarga de la labor de fuerza para la obtención de bienes y servicios, quedando libre la otra gran parte de la población que se dedica a otras labores y actividades, como por ejemplo el viajar a otros lugares, el cual gracias a los avances de científicos e ingenieros se lo puede realizar de una manera más rápida, así como la forma de comunicación instantánea; es así como ha ido progresando la termodinámica clásica, forma de obtener energía.

Hoy en día el concepto de termodinámica ya no es el mismo, puesto que no solo estudia el calor, si no todo tipo de energía, ya sea eólica, hidráulica, solar, eléctrica, etc. De igual manera abarca campos no solo de la ingeniería, sino también biológicos, químicos, medicina, etc.

Dimensiones y unidades

Podemos definir dimensión como una cantidad física y unidad como una representación de una medida de cantidad física o como una representación de una dimensión.

Existen dos tipos de dimensiones, las dimensiones primarias, básicas o fundamentales y las secundarias o derivadas las cuales se obtienen a partir de las dimensiones primarias. Las dimensiones básicas o fundamentales son las siguientes:

Dimensiones Fundamentales

• Dimensión Unidad
• Longitud metro (m)
• Masa kilogramo (kg)
• Tiempo segundo (s)
• Temperatura kelvin (k)
• Cantidad de energía candela (cd)
• Cantidad de materia mol (mol)
• Corriente eléctrica ampere (A)

Las unidades para su correcta utilización y comprensión tienen sus propios sistemas, dentro de los cuales tenemos: el SI (sistema internacional de unidades), el sistema métrico decimal, el CGS (sistema cegesimal de unidades), sistema natural, sistema técnico de unidades, sistema anglosajón de unidades. De entro de ellos destacan los 3 primeros mencionados.

Unidad

Sistema SI CGSTécnico

• Longitud metro (m) centímetro (cm) metro (m)
• Masa kilogramo (kg) gramo (g) slug
• Tiempo segundo (s) segundo (s) segundo (s)

El SI o sistema internacional, es el más usado actualmente, sin embargo, en países como Estados Unidos se usan el sistema inglés y el sistema internacional, los cuales presentan diferencias en sus unidades más no en sus dimensiones.

Los sistemas de unidades al igual que las dimensiones se dividen en unidades básicas y derivadas.

Sistema, propiedad y estado.

Sistema es una región del espacio definida por un observador. Todo aquello que no sea parte del sistema se considera los alrededores. Todo sistema está definido por ciertas fronteras que pueden ser físicas o imaginarias (Müller, 2002) .

Un sistema se define como una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para análisis. La masa o región fuera del sistema se conoce como alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama frontera. La frontera de un sistema puede ser fija o móvil. Note que la frontera es la superficie de contacto que comparten sistema y alrededores. En términos matemáticos, la frontera tiene espesor cero y, por lo tanto, no puede contener ninguna masa ni ocupar un volumen en el espacio (YUNUS A. ÇENGEL, 2015).

Los sistemas pueden ser cerrados o inclusive abiertos; en un sistema cerrado no existirá ninguna transferencia de masa por medio de la frontera, como por ejemplo el helio de un globo, el cual por acción de calor de los rayos solares se calentaría, entonces su frontera variará al no ser una frontera rígida, entonces su masa se mantendrá constante. Un ejemplo de un sistema cerrado, es el sistema aislado, el cual impide el paso de la energía por la frontera. En el caso del sistema abierto o llamado también “volumen de control”, región elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un dispositivo que tiene que ver con flujo másico, como un compresor, turbina o tobera. El flujo por estos dispositivos se estudia mejor si se selecciona la región dentro del dispositivo como el volumen de control. Tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de un volumen de control (YUNUS A. ÇENGEL, 2015).

Podemos definir a propiedad como cualquier cantidad que describe el estado de un sistema, en consecuencia, una propiedad será cualquier cantidad cuyo valor depende únicamente del estado del sistema en estudio (John R. Howell, 1990). Al definir los estados de los sistemas, automáticamente las propiedades son independientes del estado dado por un sistema; para su conveniencia las propiedades se dividen en dos: extensivas e intensivas. Extensivas son aquellas propiedades que dependan de la masa, e intensivas serán aquellas que no dependan de la masa, al referir el termino de dependencia o no de la masa, se hace hincapié a la masa contenida de las fronteras.

Estado es la condición del sistema definida por sus propiedades termodinámicas. Si un sistema en dos momentos distintos presenta los mismos valores de sus propiedades, se dice que estuvo en el mismo estado en ambos instantes. Por tal motivo, a las propiedades termodinámicas a veces se les da el 12 Introducción nombre de propiedades de estado. Se denomina proceso a la transformación de un estado a otro, siendo el camino del proceso la serie de estados a través de los cuales pasa. Algunos procesos se caracterizan por mantener alguna variable termodinámica constante y por lo tanto se le asignan nombres especiales. El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes (Müller, 2002).

Ley cero y temperatura Presión

Para la obtención de las leyes de la termodinámica han pasado muchos años en la historia, con una aproximación de 250, para lo cual se ha necesitado una cantidad inmensa de experimentos y de interpretaciones científicas teóricas. Más aun la termodinámica se fundamenta en 4 leyes: la ley cero, la primera, segunda y tercera ley. Haciendo hincapié en la ley cero podemos determinar que es la transitividad de la temperatura.

La ley cero de la termodinámica establece que, si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí (YUNUS A. ÇENGEL, 2015). Como se había mencionado antes, la termodinámica se basa en la realización de experimentos y la observación, de igual manera lo hace la ley cero que es uno de los contextos de la termodinámica, por lo cual podemos definir que:

• Si dos cuerpos están en contacto térmico por un tiempo los suficientemente largo, ningún cambio futuro observable toma lugar y se dice que el equilibrio térmico prevalece (Salgado, 2008).
• Dos sistemas que están individualmente en equilibrio térmico con un tercero, estos dos están en equilibrio térmico uno con el otro; los tres sistemas tienen el mismo valor de la propiedad llamada temperatura (Salgado, 2008).

Por lo cual podemos determinar que la igualdad de temperatura es sumamente importante para lograr un equilibrio térmico, el cual es una propiedad del sistema termodinámico.

La temperatura es una propiedad que indica la falta o no de equilibrio de un sistema, por lo cual se puede decir que dos sistemas tienen la misma temperatura si estos se encuentran en equilibrio. Las escalas de temperatura son varias, entre las cuales tenemos: Celsius °C, Fahrenheit °F, Kelvin °K, del gas ideal, Rankine, etc. Todas medidas por medio de termómetros, sin embargo, cada termómetro tiene características diferentes como por ejemplo la escala de temperatura del gas ideal cuyo termómetro va de gas a volumen constante, este termómetro funciona bajo el principio de que a bajas presiones, la temperatura de un gas es proporcional a su presión a volumen constante (YUNUS A. ÇENGEL, 2015).

Relación entre temperatura y la presión del gas de recipiente T= a +bP

Entonces, podemos definir a la temperatura como el nivel energético de un cuerpo, cuya unidad según el sistema internacional es el °K, y presión como fuerza que ejerce un cuerpo (solido, liquido o gaseoso) sobre una superficie, cuya unidad es el pascal, Pa.

Bibliografía

1. John R. Howell, R. 0. (1990). Principio de termodinámica para ingeniería. México: McGRAW-HILL.
2. Müller, E. A. (2002). Termodinámica Básica (Segunda ed.). (C. K. C.A., Ed.) Caracas, Venezuela: Publidisa SA. Obtenido de http://www3.imperial.ac.uk/pls/portallive/docs/1/16075696.PDF
3. Salgado, O. A. (2008). NOTAS DEL CURSO. México: UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO. Obtenido de http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Termodinamica/Termo.pdf
4. YUNUS A. ÇENGEL, M. A. (2015). TERMODINÁMICA (Octava ed.). México: Mc Graw Hill Education.