Descripción general de la termodinámica y conceptos básicos

La termodinámica es la campo de la fisica que se ocupa de la relación entre calor y otras propiedades (como presión, densidad, temperatura, etc.) en una sustancia.

Específicamente, la termodinámica se enfoca principalmente en cómo un transferencia de calor está relacionado con varios cambios de energía dentro de un sistema físico que experimenta un proceso termodinámico. Tales procesos generalmente resultan en trabajo siendo realizado por el sistema y son guiados por el leyes de la termodinámica.

En términos generales, el calor de un material se entiende como una representación de la energía contenida dentro de las partículas de ese material. Esto se conoce como el teoría cinética de los gases, aunque el concepto se aplica en diversos grados a sólidos y líquidos también. El calor del movimiento de estas partículas puede transferirse a partículas cercanas y, por lo tanto, a otras partes del material u otros materiales, a través de una variedad de medios:

• Contacto termal es cuando dos sustancias pueden afectar la temperatura de la otra.
• Equilibrio termal es cuando dos sustancias en contacto térmico ya no transfieren calor.
• Expansión térmica tiene lugar cuando una sustancia se expande en volumen a medida que gana calor. La contracción térmica también existe.
• Conducción es cuando el calor fluye a través de un sólido calentado.
• Convección es cuando las partículas calentadas transfieren calor a otra sustancia, como cocinar algo en agua hirviendo.
• Radiación es cuando el calor se transfiere a través de ondas electromagnéticas, como las del sol.
• Aislamiento es cuando se usa un material de baja conducción para evitar la transferencia de calor.

Un sistema sufre un proceso termodinámico cuando hay algún tipo de cambio energético dentro del sistema, generalmente asociado con cambios en la presión, el volumen, la energía interna (es decir, la temperatura) o cualquier tipo de transferencia de calor.

Existen varios tipos específicos de procesos termodinámicos que tienen propiedades especiales:

• Proceso adiabático - un proceso sin transferencia de calor dentro o fuera del sistema.
• Proceso isocorico - un proceso sin cambio de volumen, en cuyo caso el sistema no funciona.
• Proceso isobárico - un proceso sin cambio de presión.
• Proceso isotérmico - un proceso sin cambio de temperatura.

Un estado de la materia es una descripción del tipo de estructura física que manifiesta una sustancia material, con propiedades que describen cómo el material se mantiene unido (o no). Hay cinco Estados de materia, aunque solo los tres primeros generalmente se incluyen en la forma en que pensamos acerca de los estados de la materia:

• gas
• líquido
• sólido
• plasma
• superfluido (como un Condensado de Bose-Einstein)

Muchas sustancias pueden hacer la transición entre las fases gaseosa, líquida y sólida de la materia, mientras que se sabe que solo unas pocas sustancias raras pueden entrar en un estado superfluido. El plasma es un estado distinto de la materia, como los rayos.

• condensación - gas a líquido
• congelación - líquido a sólido
• fusión - sólido a líquido
• sublimación - sólido a gas
• vaporización - líquido o sólido a gas

La capacidad calorífica, C, de un objeto es la relación de cambio en el calor (cambio de energía, ΔQ, donde el símbolo griego Delta, Δ, denota un cambio en la cantidad) para cambiar la temperatura (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

La capacidad calorífica de una sustancia indica la facilidad con la que una sustancia se calienta. UN buen conductor térmico tendría un baja capacidad calorífica, lo que indica que una pequeña cantidad de energía provoca un gran cambio de temperatura. Un buen aislante térmico tendría una gran capacidad térmica, lo que indica que se necesita mucha transferencia de energía para un cambio de temperatura.

Hay varios ecuaciones de gas ideales que relacionan la temperatura (T₁), presión (PAG₁) y volumen (V₁). Estos valores después de un cambio termodinámico se indican mediante (T₂), (PAG₂) y (V₂). Para una cantidad dada de una sustancia, norte (medido en moles), se mantienen las siguientes relaciones:

Ley de Boyle ( T es constante):
PAG₁V₁ = PAG₂V₂
Ley Charles / Gay-Lussac (PAG es constante):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Ley de gas ideal:
PAG₁V₁/T₁ = PAG₂V₂/T₂ = nR

R es el constante de gas ideal, R = 8.3145 J / mol * K. Para una cantidad dada de materia, por lo tanto, nR es constante, lo que da la Ley del Gas Ideal.

• Ley Zeroeth de Termodinámica - Dos sistemas cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema están en equilibrio térmico entre sí.
• Primera ley de la termodinámica - El cambio en la energía de un sistema es la cantidad de energía agregada al sistema menos la energía gastada haciendo el trabajo.
• Segunda ley de la termodinámica - Es imposible que un proceso tenga como único resultado la transferencia de calor de un cuerpo más frío a uno más caliente.
• Tercera ley de termodinámica - Es imposible reducir cualquier sistema a cero absoluto en una serie finita de operaciones. Esto significa que no se puede crear un motor térmico perfectamente eficiente.

La segunda ley de la termodinámica se puede reformular para hablar sobre entropía, que es una medida cuantitativa del trastorno en un sistema. El cambio de calor dividido por el temperatura absoluta es el cambio de entropía del proceso Definida de esta manera, la Segunda Ley puede reformularse como:

En cualquier sistema cerrado, la entropía del sistema permanecerá constante o aumentará.

Por "sistema cerrado" esto significa que cada parte del proceso se incluye al calcular la entropía del sistema.

De alguna manera, tratar la termodinámica como una disciplina distinta de la física es engañoso. La termodinámica toca prácticamente todos los campos de la física, desde la astrofísica hasta la biofísica, porque todos tratan de alguna manera el cambio de energía en un sistema. Sin la capacidad de un sistema de usar energía dentro del sistema para hacer el trabajo, el corazón de la termodinámica, no habría nada para que los físicos estudien.

Dicho esto, hay algunos campos que utilizan la termodinámica de pasada mientras estudian otros fenómenos, mientras que hay una amplia gama de campos que se centran principalmente en las situaciones de termodinámica involucrado. Estos son algunos de los subcampos de la termodinámica:

• Criofísica / Criogenia / Física de baja temperatura - el estudio de propiedades físicas en situaciones de baja temperatura, muy por debajo de las temperaturas experimentadas incluso en las regiones más frías de la Tierra. Un ejemplo de esto es el estudio de los superfluidos.
• Dinámica de fluidos / Mecánica de fluidos - el estudio de las propiedades físicas de los "fluidos", definidos específicamente en este caso como líquidos y gases.
• Física de alta presión - el estudio de fisica en sistemas de presión extremadamente alta, generalmente relacionados con la dinámica de fluidos.
• Meteorología / Física del tiempo - la física del clima, los sistemas de presión en la atmósfera, etc.
• Física de plasma - el estudio de la materia en estado plasmático.