Leyes de la termodinámica
La termodinámica se basa principalmente en un conjunto de
cuatro leyes que son universalmente válidas cuando se aplican a sistemas que caen
dentro de las restricciones implícitas en cada uno.
El primer
principio que se estableció fue la segunda
ley de la termodinámica,
tal como la formuló Sadi Carnot el 1824. El 1860 ya estableció dos
"principios" de la termodinámica con las obras de Rudolf Clausius y
William Thomson, Lord Kelvin. Con el tiempo, estos principios se han convertido
en "leyes". El 1873, por ejemplo, Willard Gibbs afirmó que había dos
leyes absolutas de la termodinámica en sus métodos gráficos en la termodinámica de fluidos. Actualmente se enuncian un
total de cuatro leyes. En los últimos 80 años, algunos autores han sugerido
otras leyes, pero ninguna de ellas fue aceptada por unanimidad.
En las diversas
descripciones teóricas de la termodinámica, estas leyes pueden expresarse en formas
aparentemente diferentes, pero las formulaciones más destacadas son las
siguientes:
El principio
cero de la termodinámica
tiene diferentes contenidos, en diferentes autores y en diferentes contextos;
es decir, puede referirse a uno u otro de los siguientes dos aspectos de los
estados de equilibrio de un sistema termodinámico: establecer el equilibrio termodinámico, o transitividad del equilibrio térmico.
El primer
principio de la termodinámica
establece la equivalencia entre el trabajo mecánico y la cantidad de calor como formas de intercambio de energía entre un sistema y el mundo
circundante. Una de sus consecuencias es la existencia de una función estatal
llamada energía
interna.
La segunda
ley de la termodinámica es
compatible con una forma primaria, la existencia incapaz de máquinas térmicas
que recibieron un poco de calor desde una fuente para producir equivalente trabajo mecánico. Una de sus
consecuencias es la existencia de una función estatal llamada entropía.
El tercer
principio de la termodinámica
establece que cuando la temperatura tiende a cero absoluto, la entropía de cualquier sistema tiende a cero. No es
el resultado de la abstracción directa de los hechos experimentales, sino la
extensión de las consecuencias de los principios precedentes.
Ley cero de la termodinámica
El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición
del mismo en el que las variables empíricas utilizadas para definir un estado
del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización,
tensión lineal, tensión superficial, entre otros) han llegado a un punto de
equilibrio y por tanto no varían a lo largo del tiempo, es decir no son
dependientes del tiempo. A estas variables empíricas (experimentales) de un
sistema se les conoce como coordenadas termodinámicas del sistema.
A este principio
se llama del equilibrio termodinámico. Si dos sistemas A y B están en
equilibrio termodinámico, y B está en equilibrio termodinámico con un tercer
sistema C, entonces A y C están a su vez en equilibrio termodinámico. Este principio es fundamental, a pesar de
ser ampliamente aceptado; no fue formulado formalmente hasta después de haber
enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición 0.
Primera ley de la termodinámica
La primera
ley de la termodinámica
también es conocido como principio de conservación de la energía para la
termodinámica. Esta ley termodinámica establece que, si se realiza trabajo sobre
un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía
interna del sistema
cambiará.
Visto de otro
modo, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para
compensar las diferencias entre trabajo y energía
interna. Fue propuesta por
Antoine Lavoisier.
Segunda ley de la termodinámica
La segunda
ley de la termodinámica
regula la dirección en que se han de llevar a cabo los procesos termodinámicos y, por tanto, la imposibilidad de que
ocurran en el sentido contrario. También establece, en algunos casos, la
imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin
pérdidas. De este modo, la segunda ley impone restricciones para las transferencias
de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo
el primer
principio de la termodinámica.
Esta ley permite
definir una magnitud física llamada entropía tal que, para un sistema aislado,
es decir, que no intercambia materia ni energía con su entorno, la variación de
la entropía siempre debe ser mayor o igual a cero y
sólo es igual a cero si el proceso es reversible.
Tercera ley de la termodinámica
La tercera de
las leyes de la termodinámica, propuesta por Walther Nernst, afirma que
es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número
finito de procesos físicos. El tercer
principio de la termodinámica
puede formular también como que a medida que un sistema dado se aproxima al
cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico.
La entropía de los sólidos cristalinos puros puede
considerarse con el valor de cero a temperaturas iguales al cero absoluto. No
es una noción exigida por la termodinámica clásica, por lo que es probablemente es
inadecuado hablar de "ley".
La ley
cero de la termodinámica establece que, cuando dos cuerpos están en equilibrio
térmico con un tercero, estos están a su vez en equilibrio térmico entre sí.
Qué es
Hidrostática:
La
hidrostática es el estudio de los fluidos en estado de reposo que
pertenece al campo de la mecánica de fluidos, llamada también hidráulica.
El principio de
la hidrostática indica que la diferencia de presión entre dos puntos de un mismo
líquido es igual al producto del peso específico del líquido determinado por la
diferencia de los niveles. Este principio se expresa en la siguiente fórmula:
En la física
termodinámica, la presión hidrostática es aquella que el mismo fluido en reposo
ejerce sobre su peso. En la hidrostática o estudio de los fluidos en reposo,
existe la presión hidrostática y la presión atmosférica, siendo esta última,
aquella presión que ejerce la atmósfera sobre el fluido.
Los estados
sólido, líquido y gaseoso se comportan bajo las mismas leyes pero los fluidos
tienen una capacidad especial de cambiar de forma, aumentando su volumen y no
su masa.
De esta forma,
la hidrostática se mide a través de la densidad (p), gravedad (g) y profundidad
(h) del fluido, y no por su masa o volumen. La presión hidrostática se define
por la siguiente fórmula:
Para calcular la
hidrostática y su presión, se debe tomar además dos principios que definen el
comportamiento de ésta:
el principio
de Pascal que indica que un
líquido en reposo ejerce presión en todos los sentidos, y
el principio
de Arquímedes describe cómo
el aumento de la profundidad provoca una mayor presión permitiendo la
flotabilidad de objetos dentro del líquido.
Por otro lado,
la hidrodinámica es la ciencia que estudia los fluidos en movimiento.
Presión hidrostática
La presión
hidrostática es aquella que ejerce un fluido en reposo sobre sí misma debido a
su propio peso. Se define como el producto entre densidad del fluido,
aceleración de gravedad y la profundidad en la que se encuentra el fluido.
Fluidos:
gases y líquidos
1. ¿Qué es un fluido? Los líquidos y los gases tienen la
capacidad de fluir debido a la movilidad de las partículas que los constituyen,
por esta razón se llaman fluidos. Por ejemplo: el aceite, al agua o el aire.
Los líquidos y los gases comparten algunas propiedades, pero existen
diferencias importantes entre ellos que condicionan las aplicaciones técnicas
de ambos fluidos.
2. Propiedades
de los Fluidos Viscosidad La viscosidad es la propiedad que determina la medida
de la fluidez a determinadas temperaturas. A más viscoso menos fluye un fluido.
Cuanto más viscoso es un fluido es más pastoso y menos se desliza por las
paredes del recipiente. Podemos decir también que es la mayor o menor
resistencia que ofrece un líquido para fluir libremente. A más resistencia a
fluir más viscoso.
3. Propiedades
de los Fluidos Fluidez Es la propiedad contraria a la viscosidad. Es una
propiedad de líquidos y gases que se caracteriza por el constante
desplazamiento de las partículas que los forman al aplicarles una fuerza. Los
gases se expanden ocupando todo el volumen del recipiente que les contiene, ya
que no disponen ni de volumen ni de forma propia. Por esta razón los
recipientes deben estar cerrados. Los líquidos si mantienen su volumen, aunque
adoptan la forma del recipiente hasta alcanzar un nivel determinado, por lo que
pueden permanecer en un recipiente cerrado.
4. Propiedades
de los Fluidos Densidad Es la cantidad de masa por unidad de volumen de una
sustancia. La densidad quiere decir que entre más masa tenga un cuerpo en un
mismo volumen, mayor será su densidad. ρ = masa/volumen La unidad de densidad
en el S.I. es el kg/m3. Los gases son muchos menos densos que los líquidos. Se
puede variar la densidad de un gas modificando la presión o la temperatura en
el interior del recipiente que lo contiene
5. Propiedades
de los Fluidos Compresibilidad Es una propiedad de la materia a la cual se debe
que todos los cuerpos disminuyan de volumen al someterlos a una presión o
compresión. La posibilidad de comprimirse o expandirse dependiendo de la
presión que se ejerce sobre un gas es una de las propiedades de mayor
aplicación técnica de este tipo de fluidos. En el caso de los líquidos, aunque
se aumente su presión, no se modifica su volumen de manera significativa, por
lo que se consideran incompresibles.
7. La
presión en los Fluidos Un fluido almacenado en un recipiente ejerce una fuerza
sobre sus paredes. Esta fuerza ejercida por unidad de superficie se denomina
Presión. Se mide con el manómetro. Presión (p) = Fuerza (F)/ Superficie (S) La
unidad de presión en el sistema internacional es el Pascal (Pa), que equivale a
1 newton por cada metro cuadrado. El problema es que el pascal es una unidad
muy pequeña en comparación con los valores habituales de presión. Por este
motivo se utilizan otras unidades como el bar o la atmósfera. 1atm = 101.300 Pa
1bar = 100.00 Pa La fuerzas debidas a la presión del fluido actúan en dirección
perpendicular a las paredes del recipiente en cada uno de sus puntos.
8. La
presión en los Fluidos Los gases presionan con la misma intensidad sobre todos
los puntos del recipiente. Su valor en condiciones naturales es pequeño debido
a la baja densidad de los gases, aunque puede aumentar al comprimirlos. La
presión en los líquidos aumenta con la profundidad debido al peso del líquido
que tiene por encima, por lo que la máxima presión se produce en el fondo del
recipiente.
9. La
presión en los Fluidos Principio de Pascal “la presión ejercida sobre un fluido
poco compresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes
indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en
todos los puntos del fluido”
10. La
presión en los Fluidos Principio de Pascal En otras palabras, la presión que
ejercemos sobre la jeringuilla hace que el líquido contenido se transmita con
igual intensidad en todas las direcciones y todos los puntos de ese fluido.
Características de los fluidos
Los fluidos
debido a su arreglo molecular, poseen cinco características principales:
viscosidad, tensión superficial, cohesión, adherencia y capilaridad.
Viscosidad
Se debe al
reacomodo que sufren sus moléculas cuando se desplaza en una superficie o en el
interior de un conducto. Este reacomodo provoca que las moléculas rocen unas
con otras y que la velocidad del desplazamiento del fluido se vea modificada;
por tanto, algunos autores definen la viscosidad como la resistencia que tiene
un liquido al fluir.
Tensión
superficial
Es producida por la fuerza de atracción entre las moléculas que se
encuentran entre la superficie del líquido lo que le da la apariencia de forma
capa o membrana.
Por eso es que algunos insectos pueden caminar sobre la superficie del agua de estanques, lagos o charcos, debido a la tensión superficial.
Por eso es que algunos insectos pueden caminar sobre la superficie del agua de estanques, lagos o charcos, debido a la tensión superficial.
Capilaridad
Es la cualidad que posee una sustancia de absorber a otra, sucede cuando
las fuerzas intermoleculares adhesivas entre el líquido y el sólido son mayores
para las fuerzas intermoleculares cohesivas del líquido. Por ejemplo las
plantas absorben agua del suelo por capilaridad al igual como una servilleta se
moja en una porción y el liquido "Corre" hacia toda la superficie por
capilaridad.
Cohesión
Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de
una sustancia, la cohesión es la fuerza de atracción entre partículas
adyacentes dentro de un mismo cuerpo.
Adhesión
La adherencia se define como la atracción mutua entre superficies de dos
cuerpos puestos en contacto, cerca de cuerpos sólidos tales
como las paredes de una vasija, canal o carece que lo contenga, la
superficie libre del líquido cambia de curvatura de 2 formas distintas a causa
de la adherencia.
Tabla de densidad y peso específico de líquidos
|
Sustancia
|
Densidad
|
Peso específico
|
||
|
kg/m³
|
g/cm³
|
N/m³
|
gf/cm³
|
|
|
Aceite mineral |
910
|
0,910
|
8.924
|
0,910
|
|
Acetona |
790
|
0,790
|
7.747
|
0,790
|
|
Acido acético |
1.080
|
1,080
|
10.591
|
1,080
|
|
Acido clorhídrico |
700
|
0,700
|
6.865
|
0,700
|
|
Acido nítrico |
1.560
|
1,560
|
15.298
|
1,560
|
|
Acido sulfúrico |
1.840
|
1,840
|
18.044
|
1,840
|
|
Agua de mar |
1.025
|
1,025
|
10.052
|
1,025
|
|
Agua destilada |
1.000
|
1,000
|
9.807
|
1,000
|
|
Agua saturada en sal |
1.047
|
1,047
|
10.268
|
1,047
|
|
Alcohol etílico (100%) |
790
|
0,790
|
7.747
|
0,790
|
|
Alcohol etílico (95%) |
820
|
0,820
|
8.041
|
0,820
|
|
Alcohol metílico |
820
|
0,820
|
8.041
|
0,820
|
|
Benceno |
890
|
0,890
|
8.728
|
0,890
|
|
Cera |
960
|
0,960
|
9.414
|
0,960
|
|
Cloroformo |
1.530
|
1,530
|
15.004
|
1,530
|
|
Diesel (combustible) |
880
|
0,880
|
8.630
|
0,880
|
|
Eter etílico |
730
|
0,730
|
7.159
|
0,730
|
|
Gas oil |
860
|
0,860
|
8.434
|
0,860
|
|
Gasolina |
680
|
0,680
|
6.669
|
0,680
|
|
Glicerina |
1.270
|
1,270
|
12.454
|
1,270
|
|
Grasas - sebos |
930
|
0,930
|
9.120
|
0,930
|
|
Leche vacuna |
1.030
|
1,030
|
10.101
|
1,030
|
|
Mercurio |
13.600
|
13,600
|
133.370
|
13,600
|
|
Parafina |
900
|
0,900
|
8.826
|
0,900
|
|
Petróleo |
800
|
0,800
|
7.845
|
0,800
|
|
Tolueno |
880
|
0,880
|
8.630
|
0,880
|
|
Trementina (agurrás) |
870
|
0,870
|
8.532
|
0,870
|
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