Termodinamica

TERMODINÁMICA E
INTRODUCCIÓN A LA

MECÁNICA ESTADÍSTICA
JULIO GRATTON

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PRÓLOGO
Las presentes notas se basan en los apuntes que preparé en 2000 para el Curso de Física 4, y
hacen pareja con Introducción a la Mecánica Cuántica. El estudiante debería leer ambas partes
pues son complementarias. Usamos siempre las unidades gaussianas en el desarrollo de la teoría.
Sin embargo, al considerarejemplos y al dar valores numéricos se emplean a veces unidades
prácticas o que pertenecen a otros sistemas. Por lo tanto el lector debe tener el debido cuidado en
el empleo de las fórmulas.
Existe una bibliografía muy extensa que el estudiante puede consultar con provecho. Si bien
todos los temas del programa de Física 4 se tratan en estas notas y en Introducción a la
Mecánica Cuántica, se recomiendamuy especialmente a los estudiantes que consulten y lean
otros textos, para familiarizarse con la literatura y dado que algunos temas se tratan en ellos con
mayores detalles o con enfoques diferentes. El alumno no debe desdeñar obras que se han escrito
hace ya muchos años, pues muchas de ellas son excelentes y muchas veces mejores que otras
más recientes. Entre los innumerables libros que se hanescrito sobre la Termodinámica y la
Mecánica Estadística puedo indicar los siguientes:
1.
E. Fermi, Termodinámica, Eudeba
2.
H. B. Callen, Termodinámica, Editorial A. C.
3.
F. Mandl, Física Estadística, Limusa
4.
R. H. Flowers y E. Mendoza, Propiedades de la Materia, Limusa
5.
R. Eisberg, Física Moderna, Limusa
6.
R. Eisberg y L. Lerner, Física, Fundamentos y Aplicaciones, Vol II, Mc Graw-Hill
7.
M.W. Zemansky y R. H. Dittman, Calor y Termodinámica, Mc Graw-Hill
8.
G. Weinreich, Fundamental Thermodynamics, Addison-Wesley
9.
J. T. Vanderslice, H. W. Schamp Jr. y E. A. Mason, Thermodynamics, Prentice-Hall
10.
A. B. Pippard, The Elements of Classical Thermodynamics, Cambridge Univ. Press
1 1 . R. Bowley y M Sánchez, Introductory Statistical Mechanics, Oxford Science
Publications
12.
C. L. Tieny J. H. Lienhard, Statistical Thermodynamics, HRW Series in Mechanical
Engineering
13.
D. ter Haar, Elements of Thermodynamics, Holt Rinehart and Winston
14.
L. D. Landau y E. M. Lifschitz, Statistical Physics, Pergamon
15.
A. Sommerfeld, Thermodynamics and Statistical Mechanics, Academic Press
16.
F. Reif, Fundamentals of Statistical and Thermal Physics, Mc. Graw-Hill
También puede resultarprovechoso consultar las diferentes voces en la Encyclopaedia
Britannica, dado que han sido escritas por distinguidos especialistas.
Pido disculpas por las erratas que pueden haber quedado en estas notas pese a la revisión y
agradeceré que se me ponga al corriente de las que fueran detectadas.

Julio Gratton
Buenos Aires, enero de 2003
ii

INDICE
1. Introducción

1

2. Definiciones y conceptosbásicos

2

3. La temperatura
Fundamentos experimentales de las mediciones de temperatura
El termómetro de gas ideal
Escala de temperatura práctica internacional
Observaciones

5
5
7
9
9

4. La Primera Ley
Experimentos de Joule
Definición de energía interna
Definición de calor
La Primera Ley
Imposibilidad del móvil perpetuo de primera especie
Comentarios sobre el calor
Capacidades caloríficas

10
10
1112
13
14
14
15

5. La Segunda Ley
Enunciación de la Segunda Ley
Diagrama simbólico de un ciclo
Corolarios de la Segunda Ley
Definición de la temperatura termodinámica absoluta
La desigualdad de Clausius
La entropía
Ejemplos de ciclos reversibles

16
16
17
17
21
24
26
28

6. Entropía
Ecuación diferencial de la entropía
Aditividad de la entropía para sistemas compuestos
Determinación experimental dela entropía
Otras propiedades de la entropía
Ejemplos de variaciones de entropía en procesos irreversibles

30
30
31
31
33
36

7. Métodos Analíticos y Aplicaciones
Expresión combinada de la Primera y Segunda Ley
La entalpía
La energía libre o función de Helmholtz
La función de Gibbs
Potenciales termodinámicos o funciones características
Derivación cruzada y relaciones de Maxwell
Aplicaciones de...