Científicos que intervinieron en su desarrollo :

N.L.SADI CARNOT

Francia 1796-1832

R.L.CLAUSIUS

Alemania 1822-1888

J.R. MAYER

Alemania 1814-1878

H.Von HELMHOLTZ

Alemania 1821-1894

L.BOLTZMANN

Alemania 1844-1906

J.P. JOULE

Inglaterra 1818-1889

J.W. GIBBS

USA 1839-1903

M.PLANCK

Alemania 1858-1947

Según el modelo cinético-molecular, cualquier cuerpo puede ser considerado como un conjunto de partículas (sistema) en movimiento que interaccionan entre sí, según describen las leyes de la mecánica. Este sistema debe poseer una energía formada por la energía potencial de interacción entre las partículas y por la energía cinética, debida a su movimiento.

V

Para se puede contabilizar su energía cinética mv2/2 y su energía potencial como la suma de la debida a las interacciones con todas las demás. La energía interna sería la suma de todas las contribuciones de cada partícula.

Nuestro concepto intuitivo de temperatura la asocia con cuán caliente o frío sentimos un objeto o el ambiente, etc. Sin embargo nuestros sentidos no son confiables en este aspecto, ni sirven para poder hacer de la temperatura una magnitud.

Podemos hacer de ella un concepto preciso y cuantitativo (o sea definirla como magnitud) a partir de otros dos conceptos:

Es el estado en que se encuentran dos cuerpos que, estando en Contacto Térmico, no intercambian energía

Es el estado en que se encuentran dos cuerpos si entre ellos puede intercambiarse energía.

Energía

Cuerpo “caliente”

Cuerpo “frío”

Al estar en Contacto Térmico, se produce transferencia de energía

Esta energía en tránsito es lo que llamamos Calor

Algún tiempo después…

Siguen en CT, pero ya no hay transferen-cia de energía

Decimos que están en Equilibrio Térmico

Principio cero de la Termodinámica: Si dos objetos por separado se encuentran en ET con un tercero, entonces, se encuentran en ET entre sí.

Es una propiedad intensiva. No depende de la cantidad de materia considerada.

Desde un punto de vista microscópico, la temperatura de un cuerpo está relacionada con la velocidad del movimiento de traslación de las moléculas que lo forman, o sea con su energía cinética.

Es la propiedad que determina si dos cuerpos se encuentran en Equilibrio Térmico.

Dos cuerpos en equilibrio térmico entre sí, se encuentran a la misma temperatura

Es la energía que fluye de un cuerpo a otro, cuando entre ambos existe una diferencia de temperatura.

¿Qué efecto produce esta transferencia de energía?

Tanto la energía transferida (calor) como la energía interna son propiedades extensivas. Dependen de la cantidad considerada. El océano y un vaso de agua pueden estar a la misma temperatura, pero el primero tendrá una energía interna mucho mayor.

Produce Equilibrio Térmico y cambia la energía interna de los cuerpos y generalmente, aunque no siempre, la

temperatura.

Termómetro: Es un instrumento que varía alguna propiedad observable con la temperatura.

Entonces, basta con ponerlo en CT con el cuerpo que queremos medir, esperar que se alcance el ET y observarlo.

Por supuesto, es necesario definir la unidad de medición y la escala.

Este es un modelo muy común: Un tubo de vidrio capilar (muy pequeño diámetro) pero de paredes gruesas, con un líquido fácilmente visible en su interior. El líquido varía su volumen con la temperatura y con ello la longitud de la columna.

Escala Absoluta: A partir de las propiedades que presentan los gases puede deducirse que la temperatura más baja teóricamente posible es de -273,15ºC. En la escala Absoluta o Kelvin, éste es el punto 0 y el tamaño de la unidad se hace igual al ºC.

Entonces para obtener una temperatura en K, debe sumarse 273,15 a la temperatura en ºC.

Escala Celsius o centígrada: Define los valores 0 y 100 como los de equilibrio entre el agua líquida y el hielo y entre el agua líquida y el vapor,

respectivamente, ambas a la presión de 1 atmósfera. El intervalo resultante se divide en 100 partes iguales, siendo cada parte = 1 º C

Otras escalas usuales.

Casi todas las propiedades de las sustancias varían, a veces fuertemente, al variar la temperatura.

Al moverse las moléculas a mayor velocidad, el conjunto ocupa más espacio. Por eso, a mayor temperatura corresponde mayor volumen, con la notable excepción del agua entre 0º y 4º C. Esto se traduce en menor densidad.

Pero también cambian la conductividad eléctrica y térmica, el índice de refracción, la diferencia de potencial entre materiales distintos puestos en contacto, las solubilidades, etc.

Estas variaciones se aprovechan en la construcción de distintos tipos de termómetros

Las sustancias puras tienen valores característicos de la temperatura (junto con la presión) a los cuales cambian de estado de agregación. Punto de fusión, punto de ebullición.

También tienen un valor característico de la energía necesaria asociada con una variación determinada de su temperatura y con la transición entre estados.

Calor específico Q = Ce.m. T

Calor latente Q = CL.m

Q = Energía involucrada en el cambio de temperatura T de una masa m de una sustancia de calor específico Ce.

Q = Energía involucrada en el cambio de estado de una masa m de una sustancia de calor latente CL.

Esencialmente se trata del Principio de Conservación de la Energía visto en Mecánica.

En la Termodinámica aparece el calor (que se puede generalizar a cualquier forma de trabajo no mecánico) como una manifestación de la Energía, que se agrega al Trabajo Mecánico.

QLUUU 0

Variación de la energía interna del sistema.0UUU

L

Q

Trabajo mecánico entregado al sistema.

Energía entregada al sistema como calor u otras formas.

Un ejemplo

Se provoca la explosión de una misma cantidad de nafta, con la misma cantidad de oxígeno y en las mismas condiciones iniciales, en una bomba calorimétrica (no hay expansión) y en el interior de un cilindro con émbolo (símil motor a explosión)

Agua inicialmente fría

termómetro

¿cuál termómetro alcanza mayor temperatura?

¿qué indica la temperatura de escape de un auto sobre la eficiencia del motor?

A nivel macroscópico distinguimos tres mecanismos de transferencia de energía, provocada por diferencias de temperatura (calor)

Conducción: Ocurre por contacto físico. Hay transporte de energía pero no de materia. Las partículas con más energía se la comunican, mediante choques a sus vecinas. Los metales son los mejores conductores.

Convección: La energía se transporta junto con la materia, que se mueve por diferencias de densidad (convección natural) o impulsada artificialmente (convección forzada). Ocurre en los fluidos (líquidos o gases)

Radiación: La energía se transporta mediante ondas electromagnéticas, a distancia y a través del espacio vacío

x

T2

T1

Q

T

x

Si durante cierto tiempo se mantienen ambas caras de una placa a temperaturas

diferentes , > …T2 T1

x

TAk

t

QP

Ley de Fourier de

conducción del calor

…se establecen un perfil de temperaturas, dentro de la placay un flujo de energía a través de ella que cumplen:

Potencia transmitida = Energía por unidad de tiempo

Constante de conductividad térmica del material

Energía

Cuerpo “caliente”

Cuerpo “frío”

Reconsideremos un proceso ya visto.

¿Sería posible que el estado 2 fuese anterior al 1?

La experiencia indica que no. Nunca podría espontáneamente producirse un flujo de energía como el mostrado.

Energía

Sin embargo estos hipotéticos procesos no violan la primera ley (conservación de la energía) y , aunque no lo parezca, están estrechamente relacionados.

Tampoco esperaríamos que de un bolillero conteniendo muchísimas bolillas numeradas, éstas fuesen saliendo en orden.

O que el aire se separara espontáneamente en sus gases componentes (oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, etc).

¡Debe haber un principio universal que describa este comportamiento del universo, describiendo la dirección en la que ocurren los procesos espontáneos!

¡O que tomando letras al azar se escribiera espontáneamente el Martín Fierro!

Se puede enunciar de distintas maneras equivalentes, para distintos tipos de procesos, pero teniendo en cuenta el modelo cinético molecular de la materia, puede formularse de una manera muy general:

Esto no es más que una consecuencia de que los sistemas con muchos componentes, al tener muchas configuraciones posibles, presentan baja probabilidad de estar en una determinada.

Estrictamente hablando, no es imposible que cualquiera de los procesos descritos antes ocurra en sentido contrario al esperado. Sólo es tan improbable, que es prácticamente imposible que así ocurra.

Ejemplo:

Si arrojamos dos monedas, no es tan improbable obtener un resultado determinado. Sólo hay cuatro configuraciones posibles de este sistema.

Pero si arrojamos diez monedas, el número de resultados posibles es 210 = 1024 y sólo dos de éstos corresponden a estados totalmente ordenados y unos pocos (20) a estados bastante ordenados (9 “caras” o 9 “cecas”). Si elevamos el número de monedas a 1000, el resultado es un número con ¡300 dígitos enteros!

Eso significa que sea imposible a todos los fines prácticos, que esa inimaginable cantidad de partículas, cada una de las cuales tiene dos o más estados posibles (de posición, energía, velocidad, etc) tenga una configuración “ordenada” (Todas con la misma velocidad o energía, todas del mismo lado de una membrana, etcétera)

Y cualquier pequeña porción de sustancia (digamos 10g) contiene del orden de 10.000.000.000.000.000.000 de átomos/moléculas (monedas).

Consideraciones sobre la transformación del calor en trabajo mecánico llevaron a Clausius a formular con precisión el segundo principio. Demostró que su esencia es el aumento inevitable de una magnitud, a la que llamó entropía, definida como la relación entre el calor transferido y la temperatura.

T

dQdS

Posteriormente Boltzmann y Planck demostraron la relación entre entropía y desorden:

WlnkS

S= entropía

k= constante de Boltzmann

W= probabilidad del estado cuya entropía es S

Es por esto que también podemos formular el segundo principio:

La entropía está relacionada, entonces, con el grado de diversidad de los estados de un sistema.

Shannon definió entropía de la información:

x

)x(plog)x(p)X(H

p(x) es la probabilidad de un estado determinado (x).

Esta definición es idéntica a la dada por la termodinámica estadística para la entropía.

El concepto tiene importancia fundamental en la codificación y compresión de datos.