Se ha sugerido que este artículo o sección sea fusionado con termodinámica. (Discusión).

En el estudio de la Termodinámica la atención está dirigida al interior de un sistema, aunque se adopte un punto de vista macroscópico, sólo se consideran aquellas magnitudes de este tipo que tienen relación con el estado interno del sistema. Para poder entender las magnitudes involucradas en este tema, se hace necesario definir los conceptos de sistema y estado de un sistema.

Se puede definir un sistema como un conjunto de materia que está limitado por una superficie real o imaginaria. Si en el sistema no entra ni sale materia se dice que se trata de un sistema cerrado o sistema aislado. Los tipos de sistemas cerrados que son necesarios para el estudio de la termodinámica son:

Se llama medio ambiente a todo aquéllo que no está en el sistema pero que puede influir en él. Por ejemplo, consideremos una taza con agua, que está siendo calentada por un mechero. Consideremos un sistema formado por la taza y el agua, entonces el medio ambiente está formado por el mechero, el aire, etc.

un equilibrio térmico es cuando dos sustancias alcanzan una misma temperatura u no existe transferencia de calor entre ellas

Las variables que tienen relación con el estado interno de un sistema, se llaman variables termodinámicas o coordenadas termodinámicas, y entre ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son:

Un sistema que puede describirse en función de coordenadas termodinámicas se llama sistema termodinámico y la situación en la que se encuentra definido por dichas coordenadas se llama estado del sistema.

Un estado en el cual dos coordenadas termodinámicas independientes X e Y permanecen constantes mientras no se modifican las condiciones externas se dice que se encuentra en equilibrio térmico. Si dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico se dice que tienen la misma temperatura. Entonces se puede definir la temperatura como una propiedad que permite determinar si un sistema se encuentra o no en equilibrio térmico con otro sistema.

El equilibrio térmico se presenta cuando dos cuerpos con temperaturas diferentes se ponen en contacto, y el que tiene mayor temperatura cede calor al que tiene mas baja, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura.

Algunas definiciones útiles en termodinámica son las siguientes.

Un foco térmico es un sistema que puede entregar y/o recibir calor, pero sin cambiar su temperatura.

Se dice que dos sistema están en contacto térmico cuando puede haber transferencia de calor de un sistema a otro.

Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son:

Por ejemplo, dentro de un termo donde se echan agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso adiabático, ya que el agua caliente se empezará a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezará a derretir hasta que ambos estén en equilibrio térmico, sin embargo no hubo transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de un proceso adiabático.

Termodinámica

El propósito de la termodinámica es hallar relaciones generales que liguen la energía interna y otras propiedades internas de un sistema con las coordenadas termodinámicas, y refieran los cambios en el estado termodinámico de un sistema a las interacciones con su ambiente. Los principios unificadores con los cuales han de ser consecuentes tales consideraciones se denominan Leyes o Principios de la Termodinámica.

La termometría se encarga de la medición de la temperatura de cuerpos o sistemas. Para este fin, se utiliza el termómetro, que es un instrumento que se basa en el cambio de alguna propiedad de la materia debido al efecto del calor; así se tiene el termómetro de mercurio y de alcohol, que se basan en la dilatación, los termopares que deben su funcinamiento al cambio de la conductividad eléctrica, los ópticos que detectan la varicación de la intensidad del rayo emitido cuando se refleja en un cuerpo caliente.

Principio Cero de la Termodinámica

Para poder construir el termómetro se utiliza el Principio Cero de la Termodinámica que dice: "Si un sistema A que está en equilibrio térmico con un sistema B, está en equilibrio térmico también con un sistema C, entonces los tres sistemas A, B y C están en equilibrio térmico entre sí".

Una propiedad termométrica de una sustancia es aquella que varía en el mismo sentido que la temperatura, es decir, si la temperatura aumenta su valor, la propiedad también lo hará, y viceversa.

Lo que se necesita para construir un termómetro son puntos fijos, es decir, procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Ejemplos de procesos de este tipo son el proceso de ebullición y el proceso de fusión.

Los puntos generalmente utilizados son el proceso de ebullición y de solidificación de alguna sustancia, durante los cuales la temperatura permanece constante.

Existen varias escalas para medir temperaturas, las más importantes son la escala Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit.

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. Esta unidad se llama también Escala Absoluta y es también la unidad adoptada por el Sistema Internacional de Unidades.

, se puede hallar una fórmula de conversión, entre la escala Celsius y la escala Kelvin, de la siguiente forma:

donde la letra T representa la temperatura en Kelvin y la letra t_c representa la temperatura en grados Celsius.

respectivamente, la fórmula de conversión de grados Celsius a Fahrenheit es:

aquí el símbolo t_f representa la temperatura en grados Fahrenheit y el símbolo t_c representa la temperatura en grados Celsi

La dilatación térmica corresponde al efecto de que las sustancias se "agrandan" al aumentar la temperatura. En objetos sólidos, la dilatación térmica produce un cambio en las dimensiones lineales de un cuerpo, mientras que en el caso de líquidos y gases, que no tienen forma permanente, la dilatación térmica se manifiesta en un cambio en su volumen.

Consideremos primero la dilatación térmica de un objeto sólido, cuyas dimensiones lineales se pueden representar por , y que se dilata en una cantidad L. Experimentalmente se ha encontrado que para casi todas las sustancias y dentro de los límites de variación normales de la temperatura, la dilatación lineal L es directamente proporcional al tamaño inicial l₀ y al cambio en la temperatura t, es decir:

donde se llama coeficiente de dilatación lineal^-1.

La dilatación lineal no significa que este restringida a la longitud un sólido. Cualquier recta que se dibuje sobre el sólido aumentará su longitud con una velocidad dada por el coeficiente de dilatación.

La dilatación térmica de un líquido o un gas se observa como un cambio de volumen V en una cantidad de sustancia de volumen V₀, relacionado con un cambio de temperatura t. En este caso, la variación de volumen V es directamente proporcional al volumen inicial V₀ y al cambio de temperatura t, para la mayor parte de las sustancias y dentro de los límites de variación normalmente accesibles de la temperatura, es decir:

donde se llama coeficiente de dilatación volumétrica, medida en la misma unidad que el coeficiente de dilatación lineal.

Se puede demostrar fácilmente usando el álgebra que:

Análogamente se puede obtener el coeficiente de dilatación superficial dado por:

Observación: Los espacios vaciós se dilatan como si estuvieran llenos de materia.

Este artículo está licenciado sobre GNU Free Documentation License. Es una adaptación de Wikipedia "Introducción a la termodinámica".