termodinamica

15. Termodinámica

La termodinámica es fundamentalmente una ciencia fenomenológica, es decir, una ciencia macroscópica basada en leyes generales
inferidas del experimento, independientemente de cualquier “modelo” microscópico de la materia. Su objetivo es, a partir de unos
cuantos postulados (leyes de la termodinámica), obtener relaciones entre propiedades macroscópicas de la materia, cuandoésta se
somete a toda una variedad de procesos.
Debe tenerse presente que las predicciones teóricas de las magnitudes de estas propiedades están fuera del campo de la
termodinámica, su obtención proviene del experimento y de disciplinas como la teoría cinética y la mecánica estadística»que tratan
directamente con las estructuras atómica y molecular de la materia.
Por otra parte, esimportante señalar que la termodinámica se desarrolló como una tecnología mucho antes de convertirse en
ciencia. De hecho una de las preguntas más motivadoras de este desarrollo surgió de cuestiones prácticas, como poder calcular la
cantidad de trabajo que se puede obtener al quemar una cantidad conocida de carbón u otro combustible. Es por ello que, prácticamente,
no hay rama de la ingeniería y de lafísic o química en sus aspectos más aplicativos que puedan prescindir del conocimiento de esta rama
tan importante de la física. El lector irá apreciando la importancia de esta afirmación a medida que progrese en la lectura de estas notas.

Definiciones fundamentales
15.1 Sistemas v sus restricciones
El desarrollo y aplicaciones de la termodinámica dependen en gran medida, de los conceptosde: sistema termodinámico, alrededores,
equilibrio y temperatura.
• Sistema termodinámico. Un 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 deluniverso 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 enel 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
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 poderintercambiar energía con el sistema a través de la transmisión de

Notas para el curso de Física Universitaria 1 ı 8 7

Termodinámica

determina el sistema a estudiar a través de las restricciones que impone cuando lo elige para su estudio. Estas restricciones pueden

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. Lainteracción 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...