Cuando se tiene un sistema compuesto por un gran número de elementos o partículas, tal como el aire que está en una sala de clases, este se puede analizar utilizando dos visiones: una microscópica y una macroscópica.
El enfoque microscópico corresponde a describir el comportamiento específico de cada molécula del gas en forma precisa. Por ejemplo, se podrían escribir las ecuaciones de Newton para cada partícula del gas y tratar de resolverlas en forma exacta. Debido al gran número de partículas involucradas (del orden del número de Avogadro $N_A = 6,02 \cdot 10^{23}$) esta manera de proceder se convierte en una tarea casi imposible.
El segundo enfoque, el macroscópico, es menos ambicioso que el primero y en vez de tratar de determinar la dinámica individual de cada partícula, trata de determinar el comportamiento del gas como un todo, es decir, se concentra en su dinámica global. Esta evolución global debe estar determinada por un número menor de varibles macroscópicas.
Por ejemplo, si se considera como sistema el aire encerrado en la sala de clases, el aire ocupa un volumen $V$, tiene una presión $P$, una cierta cantidad de partículas $N$ y además posee una temperatura $T$. De esta manera bastan unas pocas variables macroscópicas (es decir, que miden propiedades globles del sistema) para describir su comportamiento.
La termodinámica
La teoría física que estudia los sistemas desde el enfoque macroscópico se denomina Termodinámica. Aparte de la presión $P$, el volumen $V$, el número de partículas $N$ y la temperatura $T$, la termodinámica introduce otras variables macroscópicas como el calor $ Q $, la energía interna $ U $ y la entropía $ S $ del gas o sistema.
El calor $ Q $ es la energía que se transfiere entre dos cuerpos debido a una diferencia de temperatura.
La energía interna $U$, es una manifestación macroscópica de las leyes de conservación de la energía a nivel microscópico, que permite caracterizar el estado energético del sistema a nivel global.
La entropía $S$ es una cantidad que permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. El valor de $S$ siempre crece para un sistema aislado, cuando los procesos se dan en forma natural y espontánea. Por ejemplo, la entropía de nuestro universo aumenta inexorablemente con el tiempo.
La termodinámica tiene sus propias leyes que dan cuenta del comportamiento de las variables macroscópicas. Estas son cuatro leyes que enunciamos a continuación:
Ley cero de la termodinámica
Esta ley establece que cuando dos cuerpos se ponen en contacto, pasado un cierto tiempo sus temperaturas se igualan y por tanto llegan al equilibrio térmico.
Primera ley de la Termodinámica
La primera ley es el principio de conservación de la energía para procesos que involucran transferencia de calor y puede escribirse como $Q = \Delta U + W$, en donde $ Q $ es el calor transferido al sistema, $\Delta U$ el cambio de su energía interna y $W$ es el trabajo realizado por el sistema o gas.
Segunda ley de la Termodinámica
La segunda ley establece cómo cambia la entropía de un sistema. Si se agrega una cantidad de calor $ \Delta Q $ a un sistema o gas que se encuentra a una temperatura $ T $, entonces su entropía cambia en la cantidad $\Delta S = \frac{\Delta Q}{T}.$
Tercera ley de la Termodinámica
La tercera ley de la termodinámica o postulado de Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos.
Es importante notar que esta no es una noción exigida por la termodinámica clásica, de modo que en realidad es inapropiado tratarla como una ley. La mayor parte de la termodinámica no requiere la utilización de este postulado.
Ecuación de estado
Por otra parte, para los sistemas físicos reales, no todas las variables termodinámicas como $ V $, $ P $, $ N $ y $ T $ son independientes, sino que hay relaciones entre ellas.
Por ejemplo, podemos escribir $\label{EE} P = f(T, N, V)$ o $T = g(P, N, V)$ o alguna otra combinación. Una ecuación como las anteriores, se denomina ecuación de estado. Todos los sistemas físicos tienen asociada una ecuación de estado que los caracteriza desde el punto de vista macrosocópico.
El enfoque microscópico corresponde a describir el comportamiento específico de cada molécula del gas en forma precisa. Por ejemplo, se podrían escribir las ecuaciones de Newton para cada partícula del gas y tratar de resolverlas en forma exacta. Debido al gran número de partículas involucradas (del orden del número de Avogadro $N_A = 6,02 \cdot 10^{23}$) esta manera de proceder se convierte en una tarea casi imposible.
El segundo enfoque, el macroscópico, es menos ambicioso que el primero y en vez de tratar de determinar la dinámica individual de cada partícula, trata de determinar el comportamiento del gas como un todo, es decir, se concentra en su dinámica global. Esta evolución global debe estar determinada por un número menor de varibles macroscópicas.
Por ejemplo, si se considera como sistema el aire encerrado en la sala de clases, el aire ocupa un volumen $V$, tiene una presión $P$, una cierta cantidad de partículas $N$ y además posee una temperatura $T$. De esta manera bastan unas pocas variables macroscópicas (es decir, que miden propiedades globles del sistema) para describir su comportamiento.
La termodinámica
La teoría física que estudia los sistemas desde el enfoque macroscópico se denomina Termodinámica. Aparte de la presión $P$, el volumen $V$, el número de partículas $N$ y la temperatura $T$, la termodinámica introduce otras variables macroscópicas como el calor $ Q $, la energía interna $ U $ y la entropía $ S $ del gas o sistema.
El calor $ Q $ es la energía que se transfiere entre dos cuerpos debido a una diferencia de temperatura.
La energía interna $U$, es una manifestación macroscópica de las leyes de conservación de la energía a nivel microscópico, que permite caracterizar el estado energético del sistema a nivel global.
La entropía $S$ es una cantidad que permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. El valor de $S$ siempre crece para un sistema aislado, cuando los procesos se dan en forma natural y espontánea. Por ejemplo, la entropía de nuestro universo aumenta inexorablemente con el tiempo.
La termodinámica tiene sus propias leyes que dan cuenta del comportamiento de las variables macroscópicas. Estas son cuatro leyes que enunciamos a continuación:
Ley cero de la termodinámica
Esta ley establece que cuando dos cuerpos se ponen en contacto, pasado un cierto tiempo sus temperaturas se igualan y por tanto llegan al equilibrio térmico.
Primera ley de la Termodinámica
La primera ley es el principio de conservación de la energía para procesos que involucran transferencia de calor y puede escribirse como $Q = \Delta U + W$, en donde $ Q $ es el calor transferido al sistema, $\Delta U$ el cambio de su energía interna y $W$ es el trabajo realizado por el sistema o gas.
Segunda ley de la Termodinámica
La segunda ley establece cómo cambia la entropía de un sistema. Si se agrega una cantidad de calor $ \Delta Q $ a un sistema o gas que se encuentra a una temperatura $ T $, entonces su entropía cambia en la cantidad $\Delta S = \frac{\Delta Q}{T}.$
Tercera ley de la Termodinámica
La tercera ley de la termodinámica o postulado de Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos.
Es importante notar que esta no es una noción exigida por la termodinámica clásica, de modo que en realidad es inapropiado tratarla como una ley. La mayor parte de la termodinámica no requiere la utilización de este postulado.
Ecuación de estado
Por otra parte, para los sistemas físicos reales, no todas las variables termodinámicas como $ V $, $ P $, $ N $ y $ T $ son independientes, sino que hay relaciones entre ellas.
Por ejemplo, podemos escribir $\label{EE} P = f(T, N, V)$ o $T = g(P, N, V)$ o alguna otra combinación. Una ecuación como las anteriores, se denomina ecuación de estado. Todos los sistemas físicos tienen asociada una ecuación de estado que los caracteriza desde el punto de vista macrosocópico.