Termodinámica

Introducción

La termodinámica (del griego θερμo, termo, que significa «calor» y δύναμις, dínamis, que significa «fuerza») es la rama de la ciencia que se encarga del estudio de la energía y las leyes que rigen sus procesos de transformción y transferencia, una breve visión de la misma puede enconatrarse en el siguiente video:

El estudio de la energía presenta un inconveniente ya que la energía está fuera del alcance nuestros sentidos. Considere lo siguiente: ¿la energía es lisa o rugosa? ¿Qué aspecto tiene? ¿Cuál es su olor? ¿Cuál es su sonido? ¿Cómo es su sabor? Si no sabe responder a ninguna de estas preguntas, es porque la energía resulta un objeto de estudio abstracto, lo cuál trae una nueva pregunta: ¿cómo se puede estudiar lo que no se puede ver, oír, tocar y demás? El estudio de la energía se lleva a cabo a partir de sus efectos con los que sí podemos tener contacto, enter ellas destacan 4 parámetros que son conocidos como las principales variables termodinámicas: Masa, Volumen, Temperatura y Presión.

La masa, es una medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo. Es una variable de uso cotidiano, muchas sustancias en estado sólido se comercian en términos másicos (kg) y su instrumento de medición es la balanza, desde sus antiguas versiones de platos en equilibrio hasta las actuales balanzas analíticas, el principio de medición consiste en comparar la masa desconocida cn un parón conocido. En la balanza de euilibro la masa desconocida se medía colocando el cuerpo en estudio en uno de los platos y se iban añadiendo masas conocidas en el plato contrario hasta alcanzar el equilibrio, la suma de las masas concidas era igual a la masa desconocida. En las modernas versiones se mide la deformación producida por la masa contra un resorte o muelle para determinar la cantidad de la misma.

En el campo científico se ha definido una forma alternativa de medir la cantidad de materia, ciertos análisis científicos se simplifican cuando la materia en lugar de medirse en términos másicos, se mide en moles.

Para la ciencia, un mol se asemeja a lo que representa una "docena" en la vida cotidiana. Si en un tienda de ropa se pidiera una docena de camisas, de inmediato se entendería que el cliente desea una docena de camisas; lo mismo sucedería si se pidiera una docena de pantalones. Una docena en sí no esclarede de qué se está hablando, se necesita especificar el objeto en cuestión, pues la docena solo representa un conjunto de doce unidades de cualquier cosa. 

De la misma manera, un mol es conjunto de unidades iguales, pero en lugar de doce elemntos, la cantidad agrupada es mucho mayor. El mol existió como concepto mucho antes de que se supiera de cuánto se trataba; hay que aclarar que ya por entonces se conocía que la matería está constituída por átomos y moléculas y que el átomo más liviano es el átomo de hidrógeno. Originalmente, un mol se definió como la cantidad de átomos de hidrógeno que se requiere reunir para alcanzar una masa de un gramo, a esta cantidad desconocida se le denominó número de Avogadro y pruebas posteriores determinaron su valor que se encuentra expresado en la siguiente imagen:

 

No existe una "balanza" o instrumento alguno para medir los moles de una sustancia, su medida está muy relacionada a la masa. Con una balanza se mide la masa de una sustancia y luego la misma se transforma en moles a través de la siguiente ecuación:

donde:
n: número me moles de una sustancia.
m: masa de una sustancia.
PM: peso molecular de una sustancia, este concepto ha ido desterrándose poco a poco de la litertura moderna, los textos más actuales ya no lo mencionan, ha estado sustituyéndose por el concepto de Masa Molar.
MM: es la masa molar de una sustancia.

Cabe destacar que las variaciones en los valores enter masa molar (en los textos actuales) y el peso molecular (de los textos antiguos) es muy reducida, en muchos casos es inexistente. Para finalizar, unas imágens de un mol de diversas sustancias comunes:

La siguiente variable termodinámica es el volumen. También es una variable de uso cotidiano y expresa la medida del espacio ocupado por un conjunto de materia. El volumen puede ser determinado de dos manera: por geometría espacial o a traves de recipientes graduados.

Si el objeto de estudio pose una forma geométrica conocida, bast con unas cuantas medias en el objeto yse logrará calcular su volumen. Si se trata de una sustancia líquida podría utilizarse probetas como la mostrada en la figura anterior. Cuando se trata de un sólido irregular podrá medirse su volumen por el método del desplazamiento, según el cual el objeto se introduce en una probeta con suficiente nivel de líquido para cubrir completamente el objeto, se toman las lecturas de los niveles de líquidos antes y después de introducir el objeto, la diferencia entre estas medidas corresponde al volúmen del objeto.

La tercera variable termodinámica principal es la temperatura, la cual corresponde una medida (debe admitirse que un tanto arbitraria) de la cantidad de calor de un cuerpo. A lo largo de la historia se definieron muchas esclaas de medición de la temperatura, pero solo 4 han perdurado en el tiempo: las escalas Celcius y Farenheit en los usos civiles y las escalas Kelvin en Rankine en usos científicos. Su instrumento de medición es el termómetro.

Finalmente, la cuarta variable termodinámica principal es la presión, es la variable que requiere de mayor explicación de todas, por lo que se recomienda ver el siguiente video:

Unidad I: Termodinámica de las Sustancias Puras

Para el estudio de las leyes dela termodinámica resulta indispensable conocer cómo se comporta la materia al verse expuesta a distintos niveles de energía. Aunque las leyes de la termodinámica resultan aplicables a cualquire conjunto de materia, se trate de una mezcla de sustancias o una sustancia pura, el cálculo de las propiedades termodinámicas de una mezcla es una trabajo complejo por lo que no resulta conveniente tratar ese caso durante los primeros pasos de acercamiento a las leyes de la termodinámica. Debido a esto, la información que se presenta a continuación solo trata el comportamiento energético de las sustancias puras ante la energía. A causa de los distintos tópicos tratados en el segundo video, se ha incorporado en la descripción de YouTube un menú de selección de cada una de las temáticas tratadas para el caso en que los estudiantes requieran repetir solo una sección y no todo el video, de ser así, se recomienda reproducir el video direcctamente desde YouTube.