Física general/Termodinámica

La termodinámica es la parte de la física que estudia la conversión del calor, trabajo y los cambios en los sistemas (cambios físicos) en los que intervienen estas magnitudes, todo esto desde un punto de vista macroscópico (es decir, se considera a la materia como un todo, no como una agrupación de átomos).Desde el punto de vista macroscópico se analiza la variación de las propiedades directamente observables, tales como la presión (P), la temperatura (T), el volumen (V)... de un sistema.

Definiciones previas

Antes de comenzar a explicar la termodinámica se han de tener ciertos conceptos claros. Estas son las palabras que tendremos que conocer para poder entender la termodinámica que vamos a aclarar.

Estado de un sistema: conjunto de propiedades (presión, temperatura, volumen, energía libre...) que caracterizan al sistema en un momento dado. Por ejemplo, si tenemos una olla cerrada, de 0.5 m³ de volumen a 100 ºC y a una presión de 2 atm, estos valores, en su conjunto determinarían el estado de nuestro sistema olla.
Estado térmico: Si se comparan dos sistemas aparentemente iguales (en masa, composición, estado mecánico y magnético) pueden presentar aún así distintos estados termodinámicos. Esto es, podemos tener dos bolas de acero, de la misma aleación, con el mismo volumen... pero que aún así no coincidan en el estado termodinámica. A esta diferencia se la denomina estado térmico y corresponde con la temperatura, que es una función de estado. Esto quiere decir que podemos tener dos bolas aparentemente iguales a distinta temperatura.
La temperatura se define también como la energía cinética de los átomos en el interior de un material, o el grado de agitación de los mismos.
Propiedad o Función de estado: son magnitudes medibles y observables cuyo valor no depende del proceso seguido por el sistema, sino del estado inicial y final. Esto implica que, en la olla, la temperatura sería la misma hayamos calentado a fuego lento, o con el fuego muy alto (imaginemos que lo que hay dentro es agua y queremos que entre en ebullición). En el ejemplo anterior, la presión, el volumen o la temperatura serían funciones de estado.
Funciones de línea: son magnitudes que no se pueden ni medir directamente ni observar y cuyo valor depende única y exclusivamente del proceso seguido por el sistema. Esto quiere decir que si calentamos el agua de la olla a fuego lento, no gastaremos la misma energía que a máxima potencia (a no ser que sean procesos enteramente reversibles). Por lo general son formas de energía (la energía no se puede medir directamente, sino por sus efectos).

Desambiguaciones previas

Calor y temperatura

Es muy común utilizar la expresión hace mucho calor para referirnos a que la temperatura es muy elevada, pero, el calor y la temperatura son cosas distintas. Para empezar, el calor se mide en julios (J) o calorías (cal), y la temperatura en kelvin (K, sin el º), en grados celsius (ºC) o en grados Farenheit (ºF). Siguiendo, la temperatura es mesurable, es decir podemos medirlo con un termómetro, y el calor lo podemos calcular indirectamente midiendo los efectos que produce (con un calorímetro, que es un recipiente en unas condiciones muy específicas que, para esas condiciones, transforma la temperatura de un líquido en el intercambio calórico correspondiente). Por último, el calor es lo que denominaremos una función de línea (a diferencia de las funciones de estado, las funciones de línea si dependen del proceso seguido).

En resumen, el calor es una forma de energía, y la temperatura una medición de la agitación de las moléculas de un determinado material.

Principio cero

Este principio es llamado así porque surgió después de todos los principios de la termodinámica, pero es tan básico que no se puede poner detrás de estos. El principio enuncia lo siguiente:

Si un cuerpo A está en equilibrio térmico con un cuerpo B y, además, un cuerpo C está en equilibrio térmico con el mismo cuerpo B, el cuerpo A y el cuerpo C están en equilibrio térmico.

Si bien esto, desde el punto de vista teórico parece obvio y además poco útil, no es así desde el punto de vista experimental (recuérdese que la termodinámica es una ciencia fenomenológica, y se suele basar en experimentos más que en teoría). La utilidad de este principio viene con la construcción de termómetros y aparatos de medición de temperatura. Se puede ver más información en el artículo de la Wikipedia.

Energía interna

En física, la energía interna U de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Más concretamente, es la suma de:

la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de
la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades.[1]

La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo.

Existe también la energía de enlace químico por ejemplo que es consecuencia de la energía interna del sistema.