Energia

Capitulo 1

Energia

Estructura de la materia
Dice Feynmann en su Curso de Fisical que si fuera necesario condensar en una sola idea todo el conocimiento que se tiene del mundo fisico, el hecho de que la materia est6 compuesta de molCculas y 6stas de 6tomos seria el resumen mis eficiente. Es verdad que las enseiianzas de la Termodinimica se pueden utilizar de un modo empirico sin preocuparsede la realidad at6mico-molecular de la estructura de la materia, pero, para su mejor comprensi6n, no cabe duda que es necesario tener presente ese mundo oculto a nuestros sentidos. La materia est6 constituida por particulas de tamaiio do del orden de 10-10m, con distancias entre si del orden de do para sustancias condensadas o del orden de 10do para sustancias gaseosas, realizando movimientos detranslacidn, rotacidn, vibraci6n y otros, con tiempos de transici6n tipicos de 10-los (10-10entre colisiones, 10-l2entre estados de rotacidn, 10-14entre estados de vibraci6n). Esas particulas at6mico-moleculares a su vez estin compuestas de otras particulas (tamaiio del n6cleo = 10-l5m). En condiciones normales, las interacciones entre particulas redistribuyen su energia, per0 se necesitanreacciones quimicas para que varie la estructura interna de las particulas y reacciones nucleares para que varie su estructura subat6mica. En su evoluci6n, las particulas se repelen fuertemente si su distancia es & (Fig. 1.1). La variaci6n de distancias durante el movimiento en un At- 10-lo s es do en 10s gases. El dihetro de esfera rigida equivalente (do) se calcula por dispersi6n de un haz departiculas, y disminuye algo con la temperatura porque aumentan las velocidades y se dispersa menos.

Fig. 1.1. Variaci6n de la fuerza interparticula F con la separaci6n d; do es el tamaflo tipico de las particulas (diimetro de esfera rigida equivalente).
1. Feynman, R.P, Leighton, R.B. & Sands, M., "Fisica.Volumen I", Addison-Wesley, 1987.

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I. Martinez: TERMODINAMICA BASICA Y APLICADA

Lasfuerzas interparticula pueden ser acumulativas (la gravedad) o neutralizables (electromagn~ticas); estas 6ltimas son unos 20 6rdenes de magnitud mayores, lo que hace que a gran escala la materia sea en promedio electricamente neutra y que a escala at6mica la gravitaci6n sea inelevante. Entre dos particulas cargadas (electr6n-electrbn, electr6n-i6n, i6n-i6n) la fuerza va como +qlq2/r2.Entre unacargada y otra no, se induce un dip010 de polarizaci6n a y la fuerza va como -aq2/r5.Entre dos sin carga, aparecen dipolos fluctuantes (fuerzas de van der Wads) que van como -klr7. En cualquier caso, para r+ do hace falta la Mechica cuhtica.

La Termodindmica en la Fisica
Para un observador con tamafio y tiempo caracten'sticos de 1 m y 1 s no tiene interks (ni es practicable) considerar todo eldetalle microsc6pic0, asi que el estudio del mundo fisico se puede resumir ask la Fisica de particulas estudia 10s detalles de las interacciones entre nucleones, itomos y mol~culas,la Fisica aplicada estudia el resultado macrosc6pico de las fuerzas mechicas (Mecinica de s6lidos y de fluidos, incluyendo la ac6stica) o electromagnCticas (Electricidad y electromagnetismo, incluyendo la bptica), y laTermodinhica estudia las consecuencias de analizar con unos pocos grados de libertad sistemas fisicos de unos 1025 grados de libertad (claro esti, s61o se podrti predecir algunas caracteristicas del sistema en ciertos estados especiales, llamados de equilibrio). La consecuencia mis importante que se deduce del estudio de la evoluci6n de cualquier sistema es que existe una tendencia natural a que laenergia se degrade, pase de 10s grados de libertad macrosc6picos a 10s microsc6picos (a ese mundo oculto de grados de libertad que no se consideran explicitamente). Pero, jc6mo afecta ese mundo oculto a la descripci6n macrosc6pica de 10s fen6menos fisicos? Tanto en Mecinica como en Electricidad uno de 10s conceptos bisicos es el de energia. Cuando se transfiere energia a un modo mecinico del...