DEFINICIÓN, OBJETIVOS Y CONTENIDO DE LA TERMODINÁMICA
La Termodinámica en sentido estricto puede definirse como "la teoría de las relaciones entre el calor (energía térmica) y la energía mecánica.1
Esta ciencia ha formalizado progresivamente algunos de los conceptos intuitivos originados en la experiencia cotidiana. Nació con el descubrimiento de la convertibilidad mutua entre calor y trabajo y del deseo de llegar a conocer la eficiencia de dicha transformación.2
En realidad la Termodinámica comprende el estudio de las transformaciones recíprocas de la energía, sean cuales sean sus formas de presentación respectivas.
De este modo, incluso se ha podido afirmar que abarca todo el conjunto de los fenómenos físicos.3 Es probable que la amplitud del campo científico atribuida a la Termodinámica se justifique porque "cada vez que un fenómeno nuevo necesitó una explicación científica, se recurrió a la invención de una nueva forma (abstracta) de energía."4
No obstante como "el calor y el trabajo son propiedades de transferencia, suelen ser considerados los vehículos a través de los cuales se produce la interconversion mutua de las demás formas de energía entre sí"6 , tal como ya se analizó más arriba.
La energía que posee propiamente un sistema (es decir, su contenido energético o energía interna) es la estudiada realmente por la Termodinámica. Por el contrario, el estudio de la energía generada por la posición del sistema en un campo de fuerzas magnético, eléctrico o gravitatorio, o bien por el movimiento conjunto del sistema a través del espacio, tiende a ser eludido en los trabajos de Termodinámica.6
Dentro del estudio de la energía interna de los sistemas, se ha procurado diferenciar dos niveles de análisis, estudiados respectivamente por dos ramas de esta ciencia: La Termodinámica del equilibrio se ocupa de la estructura macroscópica de la materia, y la Termodinámica estadística se interesa por problemas de estructura microscópica, tales como el comportamiento de las moléculas. La citada en primer lugar es la rama clásica y principal de la Termodinámica.
Dicha rama, la Termodinámica del equilibrio, se concentró primero en el estudio de los procesos reversibles ó teóricos, llegando a lo sumo al establecimiento de relaciones cualitativas para los procesos reales ó irreversibles.7
Tanto el edificio como los fundamentos de la Termodinámica están construidos sobre dos leyes naturales: La Ley de la conservación de la materia y la energía, y la Ley del crecimiento de la entropía. El desarrollo del significado e implicaciones de ambas se efectuará en próximas páginas.
Completando el panorama general, se puede compartir con COMMONER que la Termodinámica es un cuerpo de conocimientos extraño y peculiar: "Casi todas las leyes físicas fueron ideadas para explicar un proceso que realmente se da en la Naturaleza. Las leyes termodinámicas nacieron de forma opuesta: La demostración de que el movimiento continuo no puede
darse"8
, tanto el de primera especie (mover objetos sin utilizar energía), como
el de segunda especie (empleo de la misma energía una y otra vez), según
precisa GEORGESCU-ROEGEN.»
Por otra parte, LABEYRIE10
corrobora implícitamente el punto de
vista de los autores mencionados, al escribir que el desconocimiento
generalizado de las leyes de la Termodinámica es un problema delicado. De
todas formas, en opinión de FOLEY, dicha situación se justifica si se admite
comprensivamente que los conceptos termodinámicos y otros de tipo general
relacionados con ella, como la entropía, son de difícil comprensión o muy
esquivos intelectualmente.11
Según COMMONER, este dificultad está causada
por las implicaciones y aplicaciones de las leyes soporte de la
Termodinámica, contrastando este hecho con la aparente simplicidad de la
enunciación de dichas leyes.12
Sistemas v sus restricciones
El desarrollo y aplicaciones de la termodinámica dependen en gran medida, de los conceptos de: sistema termodinámico, alrededores, equilibrio y temperatura. • Sistema termodinámico.
- Sistema termodinámico.
Está constituido por cierta cantidad de materia o radiación en una región del espacio que nosotros consideramos para su estudio. Al hablar de cierta región del espacio, surge de manera natural el concepto de frontera, esto es, la región que separa al sistema del resto del universo físico. Esta frontera. en la mayoría de los casos, está constituida por las paredes del recipiente que contiene al sistema (fluidos, radiación electromagnética), o bien, su superficie exterior (trozo de metal, gota de agua, membrana superficial). Sin embargo, puede darse el caso de que la frontera del sistema sea una superficie abstracta, representada por alguna condición matemática como en el caso de una porción de masa de un fluido en reposo o en movimiento.
Es importante señalar que el sistema termodinámico y sus fronteras están determinados por el observador. De hecho el observador determina el sistema a estudiar a través de las restricciones que impone cuando lo elige para su estudio. Estas restricciones pueden ser de naturaleza geométrica, mecánica o térmica. Las primeras están impuestas a través de paredes que confinan al sistema a una región finita del espacio. Las mecánicas determinan como poder intercambiar energía con el sistema a través de la transmisión de trabajo mecánico, incluyendo todos los equivalentes de este trabajo: el trabajo magnético, eléctrico, químico, electroquímico, etc. Por ejemplo un fluido encerrado en un recipiente con un pistón movible. Las paredes térmicas determinan la propiedad de poder afectar el grado relativo de enfriamiento ó calentamiento que posee el sistema. Este, por el momento, lo identificaremos de manera burda por el sentido del tacto.
- Alrededores.
La parte del universo que interacciona con el sistema constituye sus alrededores. La interacción entre el sistema y sus alrededores estará caracterizada por los intercambios mutuos de masa y energía, en sus diversas formas, la energía puede intercambiarse por medios mecánicos o por medios no mecánicos, esto es por procesos de calentamiento o enfriamiento que veremos después. En el caso de que un sistema está contenido en un recipiente, lo cual es una situación común en termodinámica, el grado de interacción con sus alrededores dependerá de la naturaleza de sus paredes:
a) Paredes adiabáticas, son aquellas que no permiten que un sistema modifique su grado relativo de calentamiento. Los llamados aislantes térmicos a nivel comercial son excelentes ejemplos de materiales con esta propiedad, como la madera, el asbesto, etc. En general supondremos que los sistemas poseen dimensiones suficientemente pequeñas para poder despreciar los efectos del campo gravitacional.
b) Paredes diatérmicas, son aquellas que permiten interacciones que modifiquen el grado relativo de calentamiento. Los metales son materiales que constituyen excelentes paredes diatérmicas. En virtud de la naturaleza de las paredes, los sistemas termodinámicos se pueden clasificar en:
1. Sistema cerrado. Tiene paredes impermeables al paso de la materia; en otras palabras, el sistema no puede intercambiar materia con sus alrededores, y su masa permanece constante.
2. Sistema abierto.Puede existir intercambio de materia o de alguna forma de energía con sus alrededores.
3. Sistema aislado. No puede tener absolutamente ninguna interacción con sus alrededores: la pared resulta impermeable a la materia y a cualquier forma de energía mecánica o no mecánica.
Equilibrio termodinámico
Así como en mecánica describimos el movimiento de una partícula a través de su posición y velocidad, en termodinámica determinamos el estado de un sistema en términos de ciertos atributos macroscópicos susceptibles de ser medidos experimentalmente. Estos atributos que describen la condición fisica del sistema , están íntimamente relacionados con las restricciones impuestas al mismo.
Las variables termodinámicas serán diferentes para describir diferentes sistemas físicos y aún más, los valores de éstas variarán con el tiempo en un mismo sistema. Así, decimos que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando los valores numéricos asignados a las variables termodinámicas que lo describen no varían con el tiempo. Esta es una propiedad universal de todos los sistemas aislados, pues si un sistemas deja de interaccionar con sus alrededores alcanzará un estado de equilibrio. De hecho, el asignar valores numéricos a los atributos de un sistema a los que llamaremos variable termodinámicas, define el estado de un sistema.
La termodinámica clásica sólo trata con sistemas que .se encuentran en estado de equilibrio. Por ejemplo, un sistema aislado mantendrá composición y energía constantes. Un sistema cerrado tiene una composición constante, etc.
Grados de libertad y espacio de estados
Es un hecho experimental que: el No. de restricciones = No. de grados de libertad = No. de variables independientes para describir
el sistema. Estas pueden elegirse de un conjunto de “atributos” medibles del sistema como son sus limitaciones geométricas (largo,
ancho, volumen), sus propiedades mecánicas (presión, tensión, etc.) y otras que iremos introduciendo en el estudio. A las variables
que forman este subconjunto y que son independientes entre sí, las llamamos grados de libertad del sistema.
Definimos ahora un estado termodinámico como aquella condición de un sistema para la cual han sido asignados valores numéricos
a los grados de libertad. Es importante señalar que el experimento fija el número de grados de libertad o variables independientes y
no la forma de seleccionarlos del conjunto. Así, para el caso de un fluido puro y homogéneo formado por una sola componente
química, se encuentra que son dos los grados de libertad que se pueden escoger arbitrariamente del conjunto de variables que
describan al sistema: P,V, etc. Una buena parte de los sistemas que consideramos aquí, tendrán dos grados de libertad: membrana,
alambre en tensión, radiación electromagnética, gases ideales e imperfectos, etc.
Para visualizar y utilizar mejor estos conceptos en la descripción del comportamiento del sistema termodinámico en equilibrio
vamos a introducir un espacio de estados macroscópicos. Este espacio estará definido por ejes de coordenadas ortogonales entre sí,
correspondientes a cada uno de los grados de libertad del sistema.
En el caso de dos grados de libertad, el espacio de estados estará dado por un plano.
Cada punto en este espacio representa estados en equilibrio termodinámico, pues sólo en equilibrio están definidas las variables
del sistema.
Tipos de variables
Existen dos tipos de variables termodinámicas.
- Variables intensivas son aquellas que resultan independientes de la extensión (geométrica) del sistema, como por ejemplo la presión y la densidad. Estas propiedades son no aditivas, ya que si medimos alguna de estas variables en cualquier subdivisión del sistemas obtendremos los mismos valores numéricos.
- Variables extensivas son aquellas proporcionales a la extensión del sistema y éstas sí resultan aditivas. El volumen, la energía, etc., son ejemplos de propiedades extensivas. Si nosotros medimos el volumen de la mitad del sistema, hallaremos un valor de volumen que corresponde a la mitad del valor del sistema completo, por ello el volumen es una propiedad extensiva.
A menudo es conveniente obtener ciertas propiedades intensivas a través de sus correspondientes extensivas. Por ejemplo el
volumen específico se obtiene dividiendo el volumen del sistema entre la masa del mismo. La densidad es la masa por unidad de
volumen y es el inverso del volumen especifico, etc.
REFERENCIAS
1 HELLMAN, H: Energía en el mundo del futuro. Ediciones Tres Tiempos. Buenos Aires. 1.973, pg. 31. Nota 4.2 AGUIRRE, F.: Termodinámica del equilibrio. Ed. Interamericana. México. 11 Ed. 1.971. Pg. 14; También: LAFITA, F.: El ahorro energético. En: Revista "DYNA" Vol. LVI. N° 12. Diciembre 1.981. Pg. 19.
3 LUCINI, M.: Termodinámica aplicada. Ed. Labor. Barcelona. 3a ed. revisada, 1.949. Pg. 3.
4 AGUIRRE. F: Op. cit., Pg. 72.
5 AGUIRRE, F.: Op. cit., Pg. 73.
6 GLASSTONE, S.: Termodinámica para químicos. Ed. Aguilar, Madrid. 4* edición, 5* reimpresión, 1.977. Pg. 44.
7 AGUIRRE, F.: Op cit., Pg. 13 y s.
8 COMMONER, B.: La escasez de energía. Ed. Plaza y Janés. Barcelona 1.977. Pg. 19 y s.
9 GEORGESCU-ROEGEN, N.: Energía y mitos económicos. En: "El Trimestre económico". N° 168, Pg. 782. La edición original inglesa de este artículo apareció en la revista "The Southern Economie Journal". Vol XVI, N° 3. Enero 1.975. Ver pg. 349 (347-381). Dicho artículo fue reproducido en GEORGESCU-ROEGEN, N.: Energy and Economic Myths. Institutional and Analytical Economic Essays. Pergamon Press. Nueva York, 1.976. Pg. 5 y ss. Ver también: AGUIRRE, F.: Op. cit., Pg. 97; LABEYRIE, V.: Énergie, développement, écologie. En "La Pensée. Revue du rationalisme moderne". N* 216. Diciembre 1.980. Pg. 117.
10 LABEYRIE, V.: Ibidem.
11 FOLEY, G.: La cuestión energética. Ediciones del Serbal. Barcelona, 1.981. Pg. 73.
12 GEORGESCU-ROEGEN, N.: De la science économique a la bioéconomie. En: "Revue d'Économie Politique". Año 88. N° 3. Mayo-Junio 1.978. Pg. 354.
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