Termodinámica y mecánica estadística

Las leyes de la termodinámica

La termodinámica Estrictamente hablando se entiende por TERMODINÁMICA la parte de la física que estudia los procesos en los cuales los sistemas intercambian energía o materia cuando están en “equilibrio”. El intercambio se realiza mediante procesos “cuasiestáticos”, es decir, procesos “infinitamente lentos”

La termodinámica Termodinámica en equilibrio Termodinámica clásica Termodinámica estadística Termodinámica fuera del equilibrio Termodinámica cercana al equilibrio Termodinámica muy lejos del equilibrio

Termodinámica clásica La termodinámica Termodinámica clásica en equilibrio

La temperatura La temperatura es la propiedad física de los sistemas que precisa y cuantifica nuestras nociones de caliente y frío Los materiales más calientes tienen mayor temperatura La temperatura es una medida de la energía cinética media de los constituyentes de una muestra de materia

La ley cero. El equilibrio termodinámico Si los sistemas A y B están en equilibrio termodinámico, y los sistemas B y C están en equilibrio termodinámico, entonces los sistemas A y C están también en equilibrio termodinámico

La ley cero. El equilibrio termodinámico Si los sistemas A y B están en equilibrio termodinámico, y los sistemas B y C están en equilibrio termodinámico, entonces los sistemas A y C están también en equilibrio termodinámico

La energía interna La energía interna de un sistema es la energía cinética total debida al movimiento de sus moléculas (de sus constituyentes) y la energía potencial asociada con la vibración y energía electromagnética de los átomos que constituyen las moléculas o los cristales.

La energía interna En termodinámica, la energía interna de un sistema se expresa en términos de pares de variables conjugadas, tales como la presión y el volumen, la temperatura y la entropía, el campo magnético y la magnetización.

El calor es el flujo de energía. El concepto de calor Es la energía intercambiada entre dos sistemas cuando no se encuentran en equilibrio. El calor es el flujo de energía. Los cuerpos no tienen “calor”, en realidad tienen energía interna.

Un proceso es adiabático cuando el sistema ni gana ni pierde calor. Procesos adiabáticos Un proceso es adiabático cuando el sistema ni gana ni pierde calor. Es un proceso en el cual el sistema no intercambia calor. Es un proceso en el cual no cambia la energía interna. Expansión adiabática de un gas en un cilindro con una presión alta

Las variables de estado o termodinámicas Una variable de estado es una cantidad física que puede ser medida con toda precisión y que caracteriza el estado del sistema, independientemente de cómo el sistema llegó a él. Desde luego que dichas variables de estado deben ser univaluadas y deben ser diferenciales exactas La temperatura, la presión y el volumen son variables de estado. Otros ejemplos de variables de estado: La energía interna La entropía La energía libre de Helmholtz La energía libre de Gibbs

Ecuación de estado Una ecuación de estado es una relación, entre dos o más cantidades físicas, que describe el estado de la materia bajo un conjunto de condiciones físicas Proporciona una relación matemática entre dos o más variables de estado asociadas con la materia La ecuación de estado define a un sistema termodinámico

La ecuación de estado de un gas ideal clásico

Matemática

Diferenciales exactas e inexactas Termodinámica y estadística. Volumen 2. Propiedades térmica de la materia. W. Kauzmann. Editorial Reverté. Página 11 Introducción a la termodinámica clásica. L. García Colín. Trillas. Página 45

Diferenciales exactas e inexactas

Diferenciales exactas e inexactas

Diferenciales exactas e inexactas

Diferenciales exactas e inexactas

Diferenciales exactas e inexactas

Diferenciales exactas e inexactas

Las variables de estado Las variables de estado deben ser diferenciales exactas

Trabajo efectuado por un gas Calor y termodinámica. Zemansky. Aguilar. Página 50

Trabajo efectuado en la expansión ó compresión isotérmica cuasi-estática de una gas perfecto Calor y termodinámica. Zemansky. Aguilar. Página 50

Trabajo efectuado en la expansión ó compresión isotérmica cuasi-estática de una gas perfecto Calor y termodinámica. Zemansky. Aguilar. Página 50

Trabajo efectuado por o sobre un sistema

Trabajo efectuado por o sobre un sistema El trabajo ejecutado o absorbido por un sistema no es una diferencial exacta

Trabajo efectuado por o sobre un sistema El trabajo ejecutado o absorbido por un sistema no es una diferencial exacta

Trabajo efectuado por o sobre un sistema El trabajo ejecutado o absorbido por un sistema no es una diferencial exacta

La primera ley. La conservación de la energía El incremento en la energía de un sistema es igual a la cantidad de energía añadida calentándolo, menos la cantidad de energía perdida por el trabajo hecho por el sistema en sus alrededores

La primera ley. La conservación de la energía El cambio en la energía interna de un sistema es igual al calor añadido al sistema menos el trabajo realizado por el sistema

La primera ley. La conservación de la energía

La primera ley. La conservación de la energía

La entropía (Rudolf Clausius, 1865)

La entropía Es una medida de la cantidad de energía que no está disponible para efectuar trabajo Es una medida del desorden del sistema Es una medida de la multiplicidad del sistema

La segunda ley. La entropía Es imposible encontrar un proceso que, operando en un ciclo, no produce ningún otro efecto que la sustracción de una cantidad positiva de calor de un reservorio y la producción de una cantidad igual de trabajo (Formulación de Kelvin y Planck)

La segunda ley. La entropía El calor “no fluira” de manera espontanea de un objeto frío a uno caliente Cualquier sistema libre de toda influencia externa se vuelve más desordenado con el tiempo. El desorden se puede expresar en términos de la cantidad llamada entropía No se puede crear una maquina calorífica que extraiga calor y que lo convierta en su totalidad en trabajo útil

La segunda ley. La entropía

La segunda ley. La entropía