Termodinámica: Conceptos Fundamentales

La termodinámica es la rama de la física que estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la energía, y como ésta puede convertirse en trabajo (movimiento). En el siglo XIX fue de vital importancia para mejorar las primeras máquinas térmicas fabricadas por el hombre durante la Revolución Industrial. El punto de partida de la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son las llamadas leyes o principios de la Termodinámica. En términos sencillos, estas leyes definen como tiene lugar las transformaciones de la energía.

Sistema Termodinámico

Se define como la parte del universo objeto de estudio. Puede ser una célula, una persona, un motor, etcétera. Un sistema termodinámico puede estar separado del resto del universo por paredes reales o imaginarias. En este último caso, el sistema objeto de estudio sería, por ejemplo, una parte de un sistema más grande. Las paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes (llamadas paredes adiabáticas) o permitir el flujo de calor (paredes diatérmicas).

Los sistemas termodinámicos pueden ser:

• Sistema aislado: es aquel que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores.
• Sistema cerrado: intercambia energía (calor y movimiento) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante).
• Sistema abierto: es aquel que intercambia materia y energía con los alrededores.

Cuando un sistema está aislado y se lo deja evolucionar un tiempo suficiente, se observa que las variables termodinámicas que describen su estado no varían. La temperatura en todos los puntos del sistema es la misma, así como la presión. En esta situación se dice que el sistema está en equilibrio termodinámico.

Cuando un sistema no está aislado, el equilibrio termodinámico se define en relación con los alrededores del sistema. Para que esté en equilibrio, los valores de las variables que describen su estado deben tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores.

Variables Termodinámicas

Son las magnitudes que se emplean para describir el estado de un sistema termodinámico. Dependiendo de la naturaleza del sistema objeto de estudio, pueden elegirse distintos conjuntos de variables para describirlo. En el caso de un gas, estas variables son:

• Masa (m): es la cantidad de sustancia que tiene el sistema. En el Sistema Internacional se expresa el kilogramo (kg) o en número de moles (mol).
• Volumen (V): es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. En el SI se expresa en m3. También suele utilizarse el litro (). La conversión es
• Presión (p): es la fuerza por unidad de área aplicada sobre un cuerpo en dirección perpendicular a su superficie. En el SI se expresa en Pascal (Pa). Otra unidad de presión comúnmente utilizada es la atmósfera (atm). La conversión es 1 atm = 105 Pa.
• Temperatura (T o t): a nivel microscópico la temperatura de un sistema está relacionada con la energía cinética que tienen las moléculas que los constituyen. Macroscópicamente la temperatura determina el sentido en que se produce el flujo de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto. En el SI la temperatura se mide el kelvin (K), aunque la escala Centígrados o Celsius (°C) se utiliza con frecuencia. La conversión es T (K) = t (°C) +273,15. La temperatura absoluta suele indicarse con la letra T.