Saludos comunidad de Hive. Aquí estoy de regreso después de un muy largo período de ausencia con mis publicaciones sobre Física. Particulares saludos para todos mis Steemians-Lectores. En esta oportunidad les comparto un contenido que, como profesor universitario de Física, considero indispensable al inicio de cualquier curso de Termodinámica. Se trata de un contenido que he denominado CONCEPTOS FUNDAMENTADES DE LA TERMODINAMICA, el cual elaboré basándome en mi experiencia como profesor, presentándolo de la forma más clara y didáctica que me es posible. Considero que conociendo este material es posible abordar posteriormente, con mucha mayor facilidad y claridad, contenidos específicos de Termodinámica.
Este material, espero, sea muy útil para los estudiantes de esta comunidad en general en la presente cuarentena social. Lo dividiré en varias partes. No les fijo en cuántas porque es un material que estaré editando a la marcha. Calculo sean unas 4 partes.
Mis muy estudiosos lectores, considero que antes de comenzar con el contenido objetivo de mi post, es necesario presentar una pequeña reseña biográfica de quien es considerado el fundador de la Termodinámica, me refiero al Ingeniero y Científico francés Nicolas Leonard Sadi Carnot.
Gif animado realizado por mi persona @tsoldovieri, con las imágenes By Louis-Léopold Boilly - Public Domain - Fuente y By Louis-Léopold Boilly - Google Books Bibliothèque de Catalogne 11e page, Public Domain - Fuente
Este gran persojane, mis atentos lectores y seguidores, fue un Ingeniero y científico francés, nacido en París en 1796. Describió el ciclo térmico que lleva su nombre, CICLO DE CARNOT, a partir del cual se deduciría el segundo principio de la termodinámica. Hijo del revolucionario Lazare Carnot, en 1812 ingresó en la École Politechnique y se graduó dos años después, en la época en que se iniciaba el declive del imperio napoleónico y los ejércitos extranjeros asediaban París. Muchos estudiantes, entre ellos Carnot, participaron en las escaramuzas que se produjeron en las afueras de la capital francesa.
Tras la guerra con el Reino Unido, Francia tuvo que importar de ese país la maquinaria de vapor más avanzada de la época, lo cual reveló a Carnot lo atrasada que se encontraba Francia respecto a los métodos productivos introducidos por los ingleses en la revolución industrial. Este hecho, unido a las inspiradoras conversaciones que mantuvo con el eminente científico e industrial Nicolas Clément-Desormes, lo impulsaron a centrar su actividad en el desarrollo de las máquinas movidas por vapor.
En su ensayo publicado en 1824 bajo el título REFLEXIONES SOBRE LA POTENCIA MOTRIZ DEL FUEGO, Carnot, sin perderse en detalles técnicos, describió el ciclo energético de una máquina idealizada, cuyo rendimiento depende únicamente de las temperaturas inicial y final de la sustancia que impulsa la máquina (vapor o cualquier otro fluido), con independencia de la naturaleza de la misma.
Este trabajo, aunque no fue mal acogido por la comunidad científica, cayó en el olvido hasta 1834, cuando fue rescatado por el ingeniero ferroviario francés Émile Clapeyron. A partir de entonces influyó de forma definitiva en la labor de desarrollo de la teoría termodinámica encabezada por Rudolf Clausius en Alemania y Lord Kelvin (William Thomson) en eI Reino Unido. Siguió con su labor científica hasta su temprana muerte en el año 1832, víctima de la epidemia de cólera que asoló París en esas fechas.
Ruiza, M., Fernández, T. y Tamaro, E. (2004). Biografia de Benjamin Thompson de Rumford. En Biografías y Vidas. La enciclopedia biográfica en línea. Barcelona (España). Fuente
1 - METODO ESTADISTICO Y TERMODINAMICO
Mis estimados Lectores, el número de átomos (moléculas) que hay en un cuerpo cualquiera es enorme. Por ejemplo, en 
de un gas de propiedades próximas al perfecto, en condiciones normales (
y 
de presión), hay 
moléculas. En los estados condensados, sólido y líquido, este número es del orden de 
. Si se considera que el movimiento de cada átomo (molécula) de una sustancia cumple la Segunda Ley de Newton, es imposible hablar no sólo de resolver las ecuaciones diferenciales del movimiento de las partículas de la sustancia por separado, sino incluso de escribir estas ecuaciones. Por esto, el comportamiento de una molécula (átomo) de la sustancia aisladamente, por ejemplo, su trayectoria o la sucesión de las variaciones de su estado, no puede ser estudiado por los métodos de la Mecánica Clásica.
Entonces, mis Lectores, para abordar el estudio de los sistemas antes mencionados se utilizan dos métodos: el Método Estadístico y el Método Termodinámico.
1.1 - METODO ESTADISTICO
Mis Steemians-Lectores, para estudiar las propiedades macroscópicas de los sistemas compuestos por un número muy grande de partículas se aplica el Método Estadístico.
El Método Estadístico, mis estimados y atentos lectores, se basa en la utilización de la teoría de probabilidades y de determinados modelos de estructura de los sistemas que se estudian. La parte de la física teórica en que las propiedades físicas de los sistemas se estudian valiéndose del método estadístico se llama Física Estadística (Estadística Física o Mecánica Estadística), que constituye uno de los cursos obligatorios en una carrera de Licenciatura en Física. |
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By A. Greg (Greg L at English Wikipedia) - Own work, Public Domain Fuente
Ahora bien atentos lectores, en el comportamiento conjunto de un gran número de partículas se ponen de manifiesto regularidades especiales llamadas leyes estadísticas. En un sistema compuesto por un gran número de partículas existen ciertos valores medios de las magnitudes físicas
que caracterizan todo el conjunto de las partículas. Así, en un gas (observen la figura 1) existen valores medios de las velocidades del movimiento térmico de las moléculas y de sus energías. En un sólido existe una energía media correspondiente a cada grado de libertad del movimiento oscilatorio de las partículas, etc. Todas las propiedades de un sistema de partículas están condicionadas no sólo por las propiedades individuales de las mismas partículas, sino también por las peculiaridades de sus movimientos conjuntos y de los valores medios de las características mecánicas de las partículas (velocidades medias, energías medias, etc.).
Por otro lado, atentos lectores, aparte de las leyes estadísticas existen las leyes dinámicas que definen los movimientos de las partículas aisladas. La mezcla entre las leyes dinámicas y estadísticas se manifiesta en que las leyes del movimiento de las partículas aisladas influyen en la descripción de las propiedades del sistema de partículas estudiado por el método estadístico.
1.2 - METODO TERMODINAMICO
Por el contrario, mis atentos lectores, en el Método Termodinámico no se tiene en cuenta la estructura interna de las sustancias de los cuerpos (sistemas) que se estudian ni el carácter del movimiento de las partículas aisladas. El Método Termodinámico se basa en el estudio de las distintas transformaciones de la energía que se producen en el sistema. |
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Entonces, mis lectores, las condiciones de las antes mencionadas transformaciones y las relaciones entre las distintas formas de la energía permiten estudiar las propiedades físicas de los sistemas que se investigan durante los procesos o transformaciones más diversas en que dichos sistemas participan. La parte de la física en que las propiedades físicas de los sistemas se estudian por medio del método termodinámico se llama Termodinámica (Termodinámica Fenomenológica), que constituye otro de los cursos obligatorios en una carrera de Licenciatura en Física.
2 - ESTRUCTURA DE UN FENOMENO TERMODINAMICO
La estructura de un fenómeno termodinámico, como les muestro en la figura 2, es la siguiente:
(Gif animado realizado por mi persona, @tsoldovieri, usando las aplicaciones Paint y PhotoScape)
2.1 - SISTEMA
Se llama Sistema o Medio Interior a la porción del espacio limitado por una superficie real o ficticia, donde se sitúa la materia a ser estudiada. Puede ser cualquier cuerpo o conjunto de cuerpos, cualquier cantidad de materia, cualquier región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo exterior. |
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Mis atentos lectores, un sistema puede ser una célula, el cuerpo humano (vean la figura 3), el vapor de una máquina de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un motor térmico, la atmósfera terrestre, un avión, una tobera, un vaso de precipitados, etc; la única condición que ha de tener un sistema es
que sus límites estén bien definidos.
By Diego Delso - Own work, CC BY-SA 4.0 - Fuente
Específicamente. mis lectores, un Sistema Termodinámico es un sistema donde los cuerpos o sustancias que lo constituyen experimentan transformaciones o procesos termodinámicos (de los cuales les hablaré más adelante). |
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El sistema termodinámico más simple se compone de una masa fija de un fluido isótropo puro, no influenciado por reacciones químicas o campos externos. Tales sistemas se caracterizan por los tres párametros macroscópicos: presión P, volumen V y temperatura T. A estos sistemas se les da el nombre de sistemas PVT. En adelante, a todo sistema termodinámico se le denominará, simplemente, sistema.
2.2 - ENTORNO O MEDIO EXTERIOR
El Entorno o Medio Exterior de un sistema es todo aquello que lo rodea. No es objeto de estudio pero puede interacciónar con el sistema. |
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2.3 - EL UNIVERSO
El Universo es el que está formado por un sistema y su entorno. |
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2.4 - FRONTERA
2.4.1 - DEFINICION
La Frontera de un sistema es la envoltura imaginaria o real que encierra un sistema y lo separa de su entorno. |
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Mis atentos lectores, puede pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para aislar el sistema de su entorno o para permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente. Cuando la frontera es real, se conoce como pared.
2.4.2 - TIPOS DE FRONTERAS
La frontera de un sistema puede ser de distintos tipos:
2.4.2.1 - FRONTERA ADIABATICA
Es aquel tipo de frontera que no permite la transferencia del calor, como les muestro en la figura 4.
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2.4.2.2 - FRONTERA DIATERMICA
Es aquel tipo de frontera que permite la transferencia del calor, como les muestro en la figura 5.
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2.4.2.3 - FRONTERA RIGIDA
Es aquel tipo de frontera que no permite el cambio de volumen, como les muestro en la figura 6.
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2.4.2.4 - FRONTERA MOVIL
Es aquel tipo de frontera que permite el cambio de volumen, como les muestro en la figura 7.
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2.4.2.5 - FRONTERA PERMEABLE
Es aquel tipo de frontera que permite el paso de cualquier sustancia (materia), como les muestro en la figura 8.
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2.4.2.6 - FRONTERA SEMIPERMEABLE
Es aquel tipo de frontera que permite el paso de determinadas sustancias, como les muestro en la figura 9.
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2.4.2.7 - FRONTERA IMPERMEABLE
Es aquel tipo de frontera que no permite el paso de ninguna sustancia, como les muestro en la figura 10.
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3 - TIPOS DE SISTEMAS POR SU RELACION CON EL ENTORNO
De acuerdo su relación con el entorno, un sistema puede ser:
3.1 - SISTEMA AISLADO
Es aquel que no permite el intercambio de materia ni energía, como ilustro en la figura 11.
(Gif animado realizado por mi persona, @tsoldovieri, usando las aplicaciones Paint y PhotoScape)
Como ejemplos de estos sistemas les puedo indicar:
Los termos: Durante un período puntual de tiempo, los termos logran aislar el calor contenido en su interior y evitar la fuga de energía hacia el medio ambiente, a la par que impidiendo el derramamiento del contenido o la introducción del mismo. No obstante, dado el tiempo suficiente, la inevitable fuga del calor ocurrirá y el contenido volverá a estar frío. Vean la figura 12.
By User:Dhscommtech, CC BY-SA 3.0 - Fuente
Una bombona de gas: Contenido a presión en su interior, el gas está aislado de la materia y la energía a su alrededor en condiciones normales; ya que es posible que el calentamiento de la bombona obligue el gas a expandirse y ocurra una tragedia. Vean la figura 13.
By Usien - Own work, CC BY-SA 3.0 - Fuente
Los trajes de neopreno: Un hombre embutido en estos trajes, usualmente para el buceo o submarinismo, se encuentra protegido durante un período de tiempo del intercambio calórico entre el agua y su cuerpo, amén de impedir que ésta (materia) penetre al interior del mismo. Vean la figura 14.
By Mark.murphy - English Wikipedia, Public Domain - Fuente
3.2 - SISTEMA CERRADO
Es aquel que no permite intercambio de materia, pero sí de energía, como ilustro en la figura 15.
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Como ejemplos de estos sistemas les puedo indicar:
Los bombillas o focos: No necesitan materia para operar, pero sí energía eléctrica constante: en el momento en que se la corte, cesarán en su emisión de luz, que dicho sea de paso es también una forma de energía transmitida al entorno. Observen la figura 16.
By KMJ - de.wikipedia, original upload 26 Jun 2004 by de:Benutzer:KMJ, CC BY-SA 3.0 - Fuente
Un termómetro: Ya que está cerrado herméticamente, el contenido de un termómetro no varía jamás, pero sí reacciona de acuerdo a la temperatura que percibe, es decir, es sensible a la entrada de calor (energía). Observen la figura 17.
By Menchi - Own work, CC BY-SA 3.0 - Fuente
Una batería Los químicos en su interior reaccionan y generan energía que es dirigida hacia el exterior y consumida, pero la materia en su interior no sufre variaciones. Vean la figura 18.
By No machine-readable author provided. Shaddack assumed (based on copyright claims). - No machine-readable source provided. Own work assumed (based on copyright claims)., Public Domain - Fuente
3.3 - SISTEMA ABIERTO
Es aquel que permite intercambio de materia y energía, como ilustro en la figura 19.
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Como ejemplos les puedo indicar:
El cuerpo humano: En tanto está necesitado de materia para descomponer y obtener energía, el cuerpo es un sistema abierto que requiere de disponibilidad de insumos orgánicos. Por otro lado, requiere de expulsar la materia sobrante desechada de vuelta al medio ambiente. De no poder realizar ambas acciones durante un período muy prolongado, el sistema falla y se produce la muerte. Vean la figura 3.
Una olla de agua hirviendo: La energía introducida al sistema por el fuego transforma el agua en gas, que es liberado de vuelta al medio ambiente. Sin esa inyección de calor constante, el agua dejará de hervir; y sin espacio para salir, el vapor (materia) aumentará la presión hasta reventar la olla. Observen la figura 20.
By user:Markus Schweiss - Own work, CC BY-SA 3.0 - Fuente
Un motor a combustión Los motores son sistemas complejos que generan movimiento a partir de un suministro constante de combustible: gasolina, gasoil, etc. amén de diversos aceites que reducen la fricción entre sus partes. Sin estos aditivos el motor, simplemente, no anda o andará poco hasta romperse. Observen el motor de la figura 21.
By UtzOnBike (3D-model & animation: Autodesk Inventor) - Own work, CC BY-SA 3.0 - Fuente
4 - TIPOS DE SISTEMAS DE ACUERDO A SU ASPECTO
Mis muy estimados lectores, antes de clasificar a los sistemas de acuerdo a su aspecto es necesario tener claro las definiciones de componente, sustancia pura y fase.
Un Componente de un sistema es cada una de las sustancias que lo forman. |
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Por ejemplo: en un sistema formado por arena y agua, la arena es un componente y el agua es otro componente.
Una Sustancia Pura es aquella que está formada por un único componente, es decir, por una sola clase de sustancia, por lo cual si se aplica un método de fraccionamiento es imposible obtener sustancias diferentes. |
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Son ejemplos: el agua, el oxígeno, el ozono, el cloruro de sodio, etc.
Las Fases de un sistema son cada una de las porciones homogéneas del mismo formadas por un sólo componente, cuyas propiedades termodinámicas (que serán denominadas Variables Termodinámicas más adelante) mantienen sus valores en diferentes puntos de su masa y que se resisten a toda tentativa de fraccionamiento por métodos físicos (pero sí a través de métodos químicos como la descomposición térmica o electrólisis). |
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Mis atentos lectores, las fases se encuentran separadas unas de otras por superficies de discontinuidad (superficies límites) bien definidas, a las cuales se les denomina Interfases, como les muestro en la figura 22. Son físicamente diferenciables y separables mecánicamente, pudiéndose notar a simple vista o mediante instrumentos ópticos adecuados (lupa, microscopio). Por ejemplo, la leche a simple vista parecería homogénea pero si se mira al microscopio es posible observar gotas de grasa que no están disueltas. Otros sistemas a simple vista se ve que poseen varias fases, por ejemplo, un sistema formado por agua, aceite y azufre.
(Figura realizada por mi persona, @tsoldovieri, usando la aplicación Paint)
No es necesario que todas las partes de una fase sean adyacentes. Por ejemplo, un sistema que consiste de hielo y agua se considera un sistema de dos fases, sea que el hielo esté en un único trozo o dividido en varios fragmentos.
Desde el punto de vista de su aspecto, los sistemas pueden ser:
4.1 - SISTEMA HOMOGENEO O MONOFASICO
Un Sistema Homogéneo es aquél que es totalmente uniforme, teniendo sus propiedades termodinámicas los mismos valores en todos sus puntos. Tiene una fase. Puede ser una sustancia pura o una disolución (mezcla homogénea). |
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Ejemplos:
- Un sistema formado por agua, dos cucharadas de sal y un poco de vinagre. En este sistema se identifican: (a) Una fase: la líquida formada por la mezcla homogénea de agua, sal y vinagre. (b) Tres componentes: agua líquida, sal y vinagre.
- Un sistema formado por agua y dos cucharadas de azúcar. En este sistema se identifican: (a) Una fase: la líquida formada por la mezcla homogénea de agua y azúcar. (b) Dos componentes: agua líquida y azúcar.
4.2 - SISTEMA HETEROGENEO O POLIFASICO
Un Sistema Heterogéneo es aquél que no es uniforme, siendo las propiedades termodinámicas distintas en todos los puntos del mismo. Tiene más de una fase. |
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Ejemplos:
- Un sistema formado por agua y arena. En este sistema se identifican: (a) Dos fases: la líquida del agua y la sólida de la arena. (b) Dos componentes: el agua líquida y la arena. (c) Una interfase: agua-arena.
- Un sistema formado por un vaso lleno con agua gasificada (soda) y dos cubitos de hielo. En este sistema se identifican: (a) Tres fases: la sólida de los cubitos de hielo, la líquida del agua y la gaseosa de las burbujas del dióxido de carbono. (b) Dos componentes: el agua en estado líquido y sólido más el dióxido de carbono. (c) Tres interfases: agua-gas, agua-hielo y gas-hielo.
MIS ATENTOS LECTORES, HASTA AQUI LLEGARE EN ESTE POST, CONTINUARE EN UN PROXIMO ...
BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA
Aquí les presento 7 textos que recomiendo si desean ahondar en el tema:
Soldovieri C., T. FISICA GENERAL - UNA INTRODUCCION A LOS FLUIDOS, VIBRACIONES Y TERMODINAMICA. Preprint, 2020. El borrador se puede descargar desde mi web www.tsoldovieritsweb.ihostfull.com
Bauer, W. & Westfall, G. D. FISICA PARA INGENIERIA Y CIENCIAS, volume 1. McGraw-Hill/Interamericana de México, S. A. de C. V., 2011.
Bueche, F. J. & Hecht, E. FISICA GENERAL. Schaum. McGraW-Hill / Interamericana Editores, S.A. de C.V., México, 10ma edition, 2007.
Fishbane, P. M.; Gasiorowicz, S. G. & Thornton, S. T. PHYSICS FOR SCIENTISTS AND ENGINEERS WITH MODERN PHYSICS. Pearson Education Inc., 3th edition, 2005.
Burbano de E., S.; Burbano G., E. & Gracia M., C. FISICA GENERAL. Editorial Tébar, S.L., 2003.
Halliday, D.; Resnick, R. & Krane, K. S. FISICA, volume 2. Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V., México, 4ta edition, 1994.
Hewitt, P. G. CONCEPTOS DE FISICA. Editorial Limusa, México, 1era edition, 1992.
WEB: https://www.ejemplos.co/30-ejemplos-de-sistema-abierto-cerrado-y-aislado/
Estimados amigos Lectores. Espero que la anterior información les sea de mucha utilidad. Si tienen preguntas, no duden en hacérmelas llegar pues, con mucho gusto, les atenderé. Igualmente, si tienen detalles que puedan nutrir o mejorar la anterior información, por favor, háganmelas saber. Hasta la siguiente parte del presente post ¡Saludos a todos! 😁.
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