Termodinamica

Termodin´
amica
W. O. Barreto A.
M´erida, 18 de abril del 2006

Vamos a estudiar sistemas complejos que ser´ıan muy dif´ıciles de tratar si consideramos el movimiento individual de
las part´ıculas que los conforman. Estos sistemas lucen desordenados debido al gran n´
umero de part´ıculas involucradas
y a las distintas formas en que ellas pueden intercambiar la energ´ıa disponible. Para analizartales sistemas usamos los
principios de la Termodin´
amica. En nuestro estudio de la termodin´amica definiremos un nuevo conjunto de variables
f´ısicas que describir´
an macrosc´
opicamente el estado del sistema, y enunciaremos un conjunto de leyes que gobiernan
el comportamiento de los referidos sistemas. Intentaremos tambi´en mostrar c´omo es posible entender estas nuevas
leyes sobre la base delas leyes de la mec´
anica de Newton.
Supongamos que las mol´eculas de un gas son part´ıculas que coliden el´asticamente, entre ellas y con las paredes del recipiente que contiene al gas. Especificando la posici´
on y la velocidad inicial de cada part´ıcula podemos aplicar las leyes
de Newton y deducir, en principio, la posici´
on y velocidad de cada part´ıcula en cualquier tiempo futuro.Pudi´eramos
determinar ciertas propiedades observables (medibles) del sistema, siguiendo as´ı una descripci´on microsc´opica. Debido
al gran n´
umero de part´ıculas, consideramos valores promedios de las cantidades microsc´opicas. Si el procedimiento
de promediaci´
on se realiza siguiendo el movimiento de las part´ıculas representativas en un gas, entonces estamos
usando la Teor´ıa Cin´etica de los Gases.Si para la promediaci´
on usamos las leyes de las probabilidades aplicadas a
distribuciones estad´ısticas, estar´ıamos siguiendo la Mec´
anica Estad´ıstica. Es que en cualquier caso las propiedades
termodin´amicas (macrosc´
opicas) son expresadas como promedios de propiedades moleculares (microsc´
opicas). Las
leyes de la termodin´
amica establecen relaciones entre las propiedades macrosc´
opicas.En este punto la pregunta es
¿podemos describir un sistema y su interacci´
on con el entorno en t´erminos de un peque˜
no n´
umero de propiedades
macrosc´opicas que sean medibles mediante operaciones simples? Al menos para un gas confinado e idealizado, podemos tener ´exito a este nivel. Tales propiedades son la Presi´
on, el Volumen, la Temperatura, la Cantidad de Materia,
la Energ´ıa Interna, laEntrop´ıa. Las cuales se denominan tambi´en Variables de Estado del sistema termodin´amico.
Veremos en detalle por qu´e variables f´ısicas como el Calor y el Trabajo no son variables de estado termodin´amicas. A
prop´osito, el enfoque macrosc´
opico no es exclusivo de la termodin´amica. Podemos, por ejemplo, medir la variaci´on
de cualquiera de la variables con la temperatura y obtener unaEcuaci´on de Estado que describa la interdependencia
entre las variables macrosc´
opicas. En general podemos relacionar las variables macrosc´opicas con las microsc´opicas,
ya que ellas describen de forma diferente la misma situaci´on f´ısica. En efecto, las leyes de la termodin´amica pueden
ser expresadas cuantitativamente en t´erminos de la Mec´anica Estad´ıstica.
El concepto m´as interesante queestudiaremos es la Entrop´ıa. En la Entrop´ıa podemos encontrar f´ısica profunda.
Nos dice que los sistemas no pueden ser perfectos, aun en situaciones ideales, en cuanto a la utilizaci´on de la energ´ıa
interna, el desorden no lo permite. El desordenado, es el estado natural de los sistemas porque requiere el menor gasto
de energ´ıa, y el Universo tiende hacia un estado de entrop´ıa m´axima. Nuestracivilizaci´on pretende luchar contra la
Naturaleza para usarla a su favor, pero al final, la Naturaleza cobrar´
a. Pareciera entonces que el mejor desarrollo
tecnol´ogico es el que afecte lo menos posible a la Naturaleza, el que se integra a ella y la resguarda.
I.

´
LEY CERO: EQUILIBRIO TERMICO
Y TEMPERATURA

Dos sistemas A y B pueden estar aislados el uno del otro y del entorno a ellos a...