Termodinámica

La física es una ciencia muy amplia que encierra una gran variedad de ramas que se encargan de estudiar muchos de los fenómenos que ocurren en los materiales ya sean físicos o químicos. Una de estas divisiones es la termodinámica, la cual se encarga de analizar y estudiar las diferentes relaciones que existen entre el calor y otros tipos de fuentes que producen energía.

Temas relacionados

Conductividad térmica, energía térmica, equilibrio térmico, ley de Hess, dilatación lineal, entropía

¿Qué es la termodinámica?

La termodinámica es una rama del área de las ciencias que tiene como función el estudio de los efectos que se producen ante los cambios en la temperatura, presión y volumen de un material o un líquido a nivel macroscópico.

Definición

Para entender la definición de termodinámica es preciso conocer qué es la energía térmica. Este tipo de energía es la que contienen una sustancia determinada por el grado de calor que presenta, esto puede decirse también como la energía que poseen todas las moléculas que se encuentran en movimiento. La termodinámica es entonces una rama de las ciencias que tiene como función el poder medir esa energía térmica, la cual es generada por átomos o moléculas que interactúan entre sí.

Se fundamenta en varias leyes. La primera se conoce con el nombre de principio de conservación de la energía y ésta dice que cuando un sistema realizar un intercambio de calor con otro, la energía de su interior se transforma. La segunda ley regula la dirección en la que suceden todos los procesos termodinámicos y establece que éstos no pueden suceden en sentido opuesto. La tercera ley indica que no se puede obtener una marca térmica de cero por medio de los procedimientos físicos.

Características de la termodinámica

Entre sus principales características se deben mencionar las siguientes:

• La palabra está compuesta por la raíz “thermós” que tiene como significado calor y “dynamos” que se refiere al movimiento.
• Utiliza el método científico y los razonamientos deductivos para poder realizar sus estudios.
• Toma en cuenta la temperatura, la presión y las características químicas del elemento en estudio.
• Inicio como ciencia formal gracias a Otto von Guericke en el año 1650.
• Utiliza como base todo lo que existe mientras tenga una relación con el paso de energía.

Para qué sirve la termodinámica

Esta ciencia sirve para poder realizar estudios y clasificar las diferentes interacciones que se pueden presentar entre los sistemas que son considerados como termodinámicos. Por medio de ella se puede expresar la energía interna de un sistema así como sus potenciales de calor los cuales son útiles para poder entender la forma en la que se logra el equilibrio de la temperatura, los procesos espontáneos y los diferentes tipos de intercambio de energía entre esos sistemas y su entorno.

Tipos

Existen tres diferentes tipos o sistemas en la termodinámica, el abierto, aislado y cerrado.

• Sistema abierto: en él pueden suceder intercambios de energía y de materia con el entorno.
• Sistema cerrado: intercambia únicamente energía con el entorno sin tocar la materia.
• Sistema aislado: este sistema hace que no se puedan intercambiar ni la energía ni la materia con el entorno.

Cómo se calcula

La termodinámica puede ser calculada cuando se hacen una serie de estudios para lograr establecer la interacción que existe entre el calor y la energía, los estados de equilibrio y la energía interna de un determinado sistema.

Fórmula

La forma en la que se puede calcular es utilizando la ecuación general de la conservación de la energía pero aplicada a la termodinámica, ésta fórmula entonces quedaría de la siguiente manera:

En donde U se refiere a la energía interna, Q a la cantidad de calor que el sistema aporta y W al trabajo que ejerce y hace el sistema.

Unidades

Las unidades que se utilizan para medir la termodinámica se muestran en la siguiente tabla:

Entalpia negativa y positiva

Se entiende por entalpía a la cantidad de energía que se puede encontrar dentro de un sistema termodinámico cuando éste intercambia con el medio ambiente una serie de condiciones de presión de forma constante. Se puede decir también que es la cantidad de energía que se absorbe o se libera en el entorno por medio de procesos que no cambian la presión.

Existen varios tipos de entalpía, uno de ellos es la de formación la cual representa la cantidad de calor que puede ser absorbida o descargada en el momento en el que se forma un mol compuesto, este tipo de entalpía puede llegara a ser negativa cuando proviene de un tipo de reacción que libera calor (exotérmico) o puede ser positiva cuando por el contrario absorbe el calor (endotérmica).

En qué se diferencia de la entropía

Dos de las relaciones de la termodinámica son la entropía y la entalpía. La primera de ellas es el grado de desorden que puede ser encontrado en un sistema y la entalpía es la cantidad total de energía que puede ser encontrado dentro de un determinado sistema, en otras palabras, la cantidad de energía que ese sistema posee. Pese a que son conceptos diferentes, los dos se encuentran estrechamente ligados con la termodinámica.

Importancia de la termodinámica

La termodinámica es una ciencia importante porque sus estudios se encuentran relacionados con la ingeniería industrial ya que todos los procesos industriales de transformación de material necesitan de ella para lograr un adecuado producto al final. Muchos procesos que se generan dentro del campo de la industria dependen de la termodinámica así como varios tipos de reacciones naturales incluyendo por ejemplo, los procesos que se dan en los artefactos de cocina. Es importante pues de uso dependen sistemas de aire acondicionado, motores de calor, combustión en aviones y motores marinos, evaporadores y compresores.

Ejemplos

• Entalpia de formación del agua: La entalpía del agua cuando está en estado líquido se calcula en 32° F.
• Entalpia de combustión del metano: su entalpía es de −882.0 kJ/mol.
• Entalpia de combustión del butano: la entalpía estándar de combustión del butano es de -2878,6 kJ/mol.