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Sistema: cualquier grupo de átomos, moléculas, partículas u objetos en estudio termodinámico. Por ejemplo el agua dentro de un envase, el cuerpo de un ser vivo o la atmósfera.
Ambiente o Alrededor: todo lo que no pertenece al sistema, es lo que rodea al sistema, sus alrededores. Por ejemplo el exterior al envase donde está el agua, o el espacio que rodea a la atmósfera (puede ser todo el Universo). Entre el sistema y el ambiente puede haber intercambio de calor y de energía y se puede realizar trabajo.
Sistema cerrado: sistema en el cual no entra ni sale masa, pero que puede intercambiar calor y energía con el ambiente.
Sistema abierto: sistema que puede tener variación de masa, como por ejemplo intercambio de gases o líquidos, o de alimentos en los seres vivos.
Sistema cerrado aislado: sistema en el cual no se produce ningún intercambio de calor o energía con el ambiente a través de sus fronteras. (Juan Inzunza universidad de Concepción, Chile, 2002).
Cada sistema se puede caracterizar mediante variables que determinan su estado, la relación de estas variables determinará alguna función matemática que permitirá determinar el estado futuro o pasado del sistema termodinámico.
Las variables pueden ser extensivas como la energía interna, la entropía, el volumen, composición molar....cuyo valor depende de la masa o tamaño del cuerpo y son aditivas. Por lo general el cociente de dos magnitudes extensivas da como resultados una intensiva como es el caso de la densidad = masa / volumen.
Las magnitudes intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad masa como la temperatura, la presión, la velocidad, el volumen específico, la densidad...
Muchas veces en la vida cotidiana usamos temperatura y calor de manera indistinta para referirnos a ciertos fenómenos, pero debemos físicamente, hacer una distinción en aquello, pues calor y temperatura son dos conceptos distintos que están relacionados, pero la temperatura no es la medida del calor como muchas veces se piensa, como tampoco el calor no es una característica del sistema, sino una relación entre dos o más cuando están a diferente temperatura. Por ello el calor lo entenderemos como una energía en tránsito que se produce cuando dos o más sistemas termodinámicos tienen distinta temperatura, lo anterior se efectuará hasta que todos los sistemas involucrados alcances la misma temperatura, es decir, el equilibrio térmico.
En la imagen anterior se observa que hay dos sistemas termodinámicos con distinta temperatura inicial. Suponiendo que alrededor de ellos no hay ningún otro sistema, entonces entre ambos habrá un flujo de calor Q, una energía en tránsito, produciendo después de un tiempo que la temperatura en ambos sea igual. Este punto se denomina equilibrio térmico (ver siguiente figura).
La ley cero de la termodinámica fue formulada por primera vez en el año 1931 por Ralph Fowler. T
Se puede enunciar así la ley cero:
"Cuando dos sistemas A y B se encuentran por separado y en equilibrio térmico con un tercer sistema C, se dice que A y B están en equilibrio térmico uno del otro".
En la imagen de la izquierda se observa que el cuerpo A está en equilibrio con C, pero el objeto A y B están aislado. También se observa que el cuerpo C está en equilibrio con B. Finalmente se concluye que A y B están en equilibrio térmico.
En la imagen del lado derecho, la pared adiabática se colocado de manera horizontal, luego podemos decir que A y B están en equilibrio térmico, pero no podemos decir que C lo esté con A y/o con B.
La ley cero es lo que ocurre con la medición de la temperatura con un termómetro.
El termómetro es un buen ejemplo de aplicación de la ley cero de la termodinámica, pues al medir por ejemplo la temperatura de un vaso de agua, el agua está en contacto con el vidrio y el vidrio con el mercurio, luego el mercurio de dilata o contrae según corresponda midiendo la temperatura según en la escala que esté graduado. Así el agua está en equilibrio térmico con el vidrio, y el vidrio con el mercurio, luego el mercurio y el agua están a la misma temperatura.
La temperatura desde un punto de vista microscópico es una medida de la energía cinética promedio de las partículas del sistema. Esta energía cinética considera la energía cinética de rotación, vibración y traslación de las moléculas. Para mayor profundización véase teoría cinética de los gases.
Las escalas de temperatura están basada en referencias a fenómeno físico a condiciones estándar (1 atm de presión y con g=9,8 m/s^2 ) que se le asigna un número determinado.
|Nombre de la Escala||Punto de referencia||Números asociados|
|Celsius||Fusión del agua||0|
|Ebullición del agua||100|
|Absoluta o Kelvin||Está construida tomando como referencia la temperatura más baja teórica que se puede alcanzar, y que para la fusión y ebullición del agua corresponde respectivamente||273 y 373|
|Fahrenheit||La temperatura más baja ocurrida durante el invierno de 1708-1709 en la ciudad de Dazing, ahora llamada Gdansk en Polonia, cerca de -17,8 ºC||0|
|Temperatura del cuerpo humano ante una ligero estado febril||100|
La temperatura desde un punto de vista microscópico es una medida de la energía cinética promedio de las partículas del sistema. Esta energía cinética considera la energía cinética de rotación, vibración y traslación de las moléculas. Para mayor profundización véase teoría cinética de los gases.
Las escalas de temperatura están basada en un fenómeno físico que por comodidad ha sido la temperatura del punto equilibrio entre hielo y vapor de agua saturado a presión atmosférica normal (punto de congelación) y el punto de equilibrio entre agua liquida y su vapor a presión de 1atm (punto de ebullición). En la escala Celsius asignó respectivamente el número 0 y 100, mientras que en la escala Fahrenheit estos puntos son 212 y 32, y en la escala absoluta 273,15 y 373,15 respectivamente.
Uno de los termómetros usados para definir escalas de temperatura es el termómetro de gas a volumen constante (TGVC) siguiendo los pasos:
Esta nueva escala de temperatura se llama KELVIN, es la oficial del sistema internacional de medidas. El 0 K llamado el cero absoluto tiene una equivalencia de -273.15 ºC . 0 K esta a 273.16 divisiones mas abajo del punto triple. Por lo tanto 273.16 K es el punto triple del agua, el cual equivale a 0.01 ºC.
La imagen de la derecha muestra la divisiones para las tres escalas de temperatura más usadas. Vamos a encontrar una ecuación para transformar de grados Celsius a Fahrenheit, para ello procedemos de la siguiente manera:
Siguiendo el mismo razonamiento podemos encontrar la equivalencia entre Celcius y Kelvin y entre cualquier escala que queramos siguiendo el mismo procedimiento. Se deja al lector la tarea de encontrar una ecuación para convertir de Fahrenheit a Kelvin
|De||a||Fórmula|
|Fahrenheit||Celsius||{\displaystyle C=(F-32)/1,8\!}|
|Celsius||Fahrenheit||{\displaystyle F=1,8C+32\,\!}|
|Fahrenheit||Kelvin||{\displaystyle K=(F-32)/1,8+273,15=(F+459,67)/1,8\,\!}|
|Kelvin||Fahrenheit||{\displaystyle F=1,8(K-273,15)+32={\frac {9}{5}}K-459,67\,\!}|
|Fahrenheit||Rankine||{\displaystyle Ra=F+459,67\,\!}|
|Rankine||Fahrenheit||{\displaystyle F=Ra-459,67\,\!}|
|Fahrenheit||Réaumur||{\displaystyle Re={\frac {(F-32)}{2,25}}\,\!}|
|Réaumur||Fahrenheit||{\displaystyle F=(2,25)Re+32\,\!}|
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