Termodinámica

La termodinámica es una rama de la física que se ocupa de la dependencia de las propiedades físicas del cuerpo a la temperatura , ocurren fenómenos en los que se intercambia el calor , y la transformación de la energía entre diferentes formas.

La termodinámica se puede abordar desde dos enfoques diferentes y complementarios: fenomenológico y estadístico .

La termodinámica fenomenológica o clásica ha sido objeto de numerosos acontecimientos ocurridos desde el XVII °  siglo. Se basa en consideraciones macroscópicas para establecer un número reducido de principios y leyes, resultado de observaciones experimentales.

Termodinámica estadística, que se desarrollaron a partir de la mitad de la XIX XX  siglo, se basa por sus consideraciones sobre molecular y en el cálculo de probabilidades aplicados a un gran número de partículas. Se esfuerza por analizar la estructura de la materia y por establecer un vínculo entre sus propiedades y los principios de la termodinámica fenomenológica.

El estudio de los gases ideales y el de las máquinas térmicas , que intercambian energía con el exterior en forma de trabajo y calor , ocupan un lugar central en la termodinámica: han permitido el desarrollo de un gran número de máquinas y métodos industriales. como base para importantes descubrimientos en química, astrofísica y muchos otros campos científicos.

Historia

Caliente y frío nociones han existido siempre, pero esto es realmente sólo desde el XVIII °  siglo que el concepto de calor en las ciencias. En 1780, Pierre Simon de Laplace y Antoine Laurent de Lavoisier escribieron conjuntamente: “Cualquiera que sea la causa que produce la sensación de calor, es susceptible de aumento y disminución y, desde este punto de vista, puede ser objeto de cálculo. No parece que los antiguos tuvieran la idea de medir sus relaciones, y es solo en el siglo pasado que se imaginaba los medios para lograrlo. " . Inicialmente centrado en los conceptos de temperatura y calor, la termodinámica fenomenológica se ocupa desde el final del XVIII °  siglo para definir las diferentes formas de energía, para incluir las transferencias entre las diferentes formas y explicar el impacto de estas transferencias en las propiedades físicas de la materia. Principalmente sobre la base de experimentos, se complementa desde el XIX °  siglo por las aportaciones de la física estadística , que, basándose en la teoría atómica de la materia , las de la física cuántica y herramientas matemáticas de gran alcance, le dan un fundamento teórico sólido que permita, en particular, comprender la noción de irreversibilidad de determinadas transformaciones, o incluso el comportamiento de la materia en condiciones extremas de presión o temperatura.

La aparente sencillez de los conceptos básicos de la termodinámica, la inmensidad de sus campos de aplicación y la profundidad de los estudios teóricos que da lugar han fascinado a muchos científicos y en particular han llevado a Albert Einstein a declarar:

"Una teoría es tanto más impresionante cuando sus fundamentos son simples, se relaciona con varios campos y su campo de aplicación es amplio. Es por eso que la termodinámica clásica me deja una impresión tan fuerte. Es la única teoría física de alcance universal que yo Estoy convencido de que, mientras se apliquen sus conceptos básicos, nunca se le fallará ".

Gases ideales: de la fenomenología a la estadística

El estudio de los gases ideales y su comportamiento cuando se varía su temperatura, presión o volumen es uno de los principales fundamentos históricos de la termodinámica. Su desarrollo proporciona una ilustración de los métodos experimentales desarrollados para esta ciencia, así como del vínculo entre la termodinámica fenomenológica y estadística.

Descubrimientos y métodos fenomenológicos

En 1662, el físico irlandés Robert Boyle demuestra experimentalmente una temperatura constante mantenida satisface gas la siguiente relación entre su presión y su volumen  : . Esta es la ley de Boyle-Mariotte , que establece los resultados de las transformaciones isotérmicas de un sistema de gas. PAG{\ Displaystyle P}V{\ Displaystyle V}PAGV=constante{\ displaystyle PV = {\ text {constante}}}

En 1787, el físico francés Jacques Charles demuestra que un gas a presión constante satisface la siguiente relación entre el volumen y la temperatura  : . Esta es la ley de Charles , que establece los resultados de las transformaciones isobáricas de un sistema de gas. V{\ Displaystyle V}T{\ Displaystyle T}V/T=constante{\ displaystyle V / T = {\ text {constante}}}

En 1802 los franceses físico Joseph Louis Gay-Lussac muestra que un satisface gas de volumen constante la siguiente relación entre su presión y temperatura  : . Esta es la ley de Gay-Lussac , que establece los resultados de las transformaciones isocóricas de un sistema de gas. PAG{\ Displaystyle P}T{\ Displaystyle T}PAG/T=constante{\ displaystyle P / T = {\ text {constante}}}

En 1811, el físico italiano Amedeo Avogadro demostró que volúmenes iguales de diferentes gases ideales , en las mismas condiciones de temperatura y presión , contienen el mismo número de moléculas . Esta es la ley de Avogadro .

Y en 1834 el físico francés Emile Clapeyron enunció la ley de los gases ideales , que sintetiza las cuatro leyes precedentes y vincula entre ellas las cuatro variables de estado que son la presión , el volumen , la temperatura y la cantidad de materia (número de moles ) de un sistema termodinámico compuesto por gas ideal: PAG{\ Displaystyle P}V{\ Displaystyle V}T{\ Displaystyle T} no{\ Displaystyle n}

PAGV=noRT{\ Displaystyle PV = nRT}

donde es la constante del gas ideal , igual a 8.314 462 1  J / (mol · K) . R{\ Displaystyle R}

Todos los experimentos que llevaron a este resultado utilizan el mismo método: el físico congela dos variables para estudiar los vínculos entre las otras dos. Boyle se congeló así y estudiar los vínculos entre y , Charles y estudiar y , Gay-Lussac y estudiar y , y Avogadro y estudiar y . no{\ Displaystyle n}T{\ Displaystyle T}PAG{\ Displaystyle P}V{\ Displaystyle V}no{\ Displaystyle n}PAG{\ Displaystyle P}V{\ Displaystyle V}T{\ Displaystyle T}no{\ Displaystyle n}V{\ Displaystyle V}PAG{\ Displaystyle P}T{\ Displaystyle T}PAG{\ Displaystyle P}T{\ Displaystyle T}V{\ Displaystyle V}no{\ Displaystyle n}

Teoría atómica y física estadística

Paralelamente al desarrollo de estos estudios de carácter fenomenológico, la teoría atómica de la materia avanzó notablemente, bajo el impulso, en particular, del británico John Dalton , quien ya en 1803 esboza una teoría precisa de la estructura atómica de la materia. , explica las reacciones químicas por la interacción entre átomos y sienta las bases de la tabla periódica de los elementos , y el escocés Robert Brown, quien describió el movimiento browniano en 1827.

Los termodinámicos utilizan sus resultados y los métodos correspondientes para crear el enfoque estadístico de la disciplina: el físico alemán Rudolf Clausius en 1850 inventó el término "entropía", definió la variable de estado correspondiente como una cantidad de origen estadístico, y afirmó cuál se convierte en la formulación moderna del segundo principio de la termodinámica. Unos años más tarde, el escocés James Clerk Maxwell y el austriaco Ludwig Boltzmann establecen la estadística de Maxwell-Boltzmann que determina la distribución de partículas entre diferentes niveles de energía. El estadounidense Willard Gibbs , en la década de 1870, estuvo activo tanto en la termodinámica clásica como en su enfoque estadístico: definió la entalpía libre , el potencial químico , la noción de varianza y la fórmula para calcularla, así como el término “mecánica estadística ”Con las nociones estadísticas correspondientes (conjuntos canónicos , microcanónicos y gran canónicos ) todavía en uso desde entonces.

Su trabajo conduce en particular a la teoría cinética de los gases , que apoya los resultados del enfoque fenomenológico al explicar la naturaleza y el origen de dos variables de estado fundamentales: la temperatura, que es una medida de la energía cinética estadística de las moléculas agitadas por el movimiento browniano, y presión, que es creada por los choques estadísticos de moléculas en la pared del recipiente que contiene el gas. Esta teoría explica además por qué las fórmulas establecidas por la termodinámica fenomenológica solo son aplicables para presiones relativamente bajas.

Esta complementariedad entre enfoques macroscópicos y microscópicos es una característica importante de la termodinámica, que no es solo una ciencia de transformaciones de energía, sino también de cambios de escala.

Máquinas térmicas: comprensión y uso de las propiedades del calor

Los conceptos de calor y temperatura son fundamentales en termodinámica. Muchos avances en esta ciencia se basan en el estudio de fenómenos que dependen de la temperatura y sus cambios.

Calor y temperatura

Todo el mundo tiene un conocimiento intuitivo del concepto de temperatura y calor: un cuerpo está caliente o frío, dependiendo de si su temperatura es más alta o más baja. Sin embargo, la definición científica precisa de estos dos conceptos no se pudo establecer hasta que la mitad del XIX °  siglo.

Uno de los grandes aciertos de la termodinámica clásica es haber definido la temperatura absoluta de un cuerpo, lo que llevó a la creación de la escala Kelvin . Esto le da a la temperatura mínima teórica válida para todos los cuerpos: cero kelvin o -273,15  ° C . Es el cero absoluto cuyo concepto aparece por primera vez en 1702 con el físico francés Guillaume Amontons y que fue formalizado en 1848 por William Thomson , más conocido con el nombre de Lord Kelvin.

El calor fue más difícil de definir científicamente. Una vieja teoría, defendida en particular por Lavoisier , atribuía a un fluido especial (invisible, imponderable o casi) las propiedades del calor, calórico , que circula de un cuerpo a otro. Cuanto más caliente esté un cuerpo, más calorías contendrá. Esta teoría es falsa en el sentido de que el calórico no puede identificarse con una cantidad física conservada. La termodinámica estadística ha permitido definir el calor como una transferencia de energía desordenada de un sistema al entorno externo: la energía térmica de un sistema corresponde a la energía cinética de las moléculas que se mueven según el movimiento browniano , sufriendo choques aleatoriamente. Se dice que la energía transferida está desordenada a nivel microscópico, a diferencia de la transferencia de energía ordenada a nivel macroscópico lograda a través del trabajo .

Máquinas térmicas

La termodinámica clásica ha tenido muchos éxitos como la ciencia de las máquinas térmicas o la ciencia de la fuerza motriz del fuego .

El calor puede ser producido por la fricción entre cuerpos macroscópicos: las técnicas ancestrales de producir fuego por la fricción de dos trozos de madera, o por el choque entre dos piedras, demuestran que esta propiedad es conocida por la humanidad desde hace mucho tiempo.

Por el contrario, el calor puede poner en movimiento cuerpos macroscópicos. Los sistemas destinados a crear y explotar este movimiento se denominan máquinas de fuego o máquinas térmicas. Estas máquinas permanecen en movimiento mientras exista una diferencia de temperatura entre una parte caliente y una parte fría.

Sadi Carnot inició los estudios modernos de las máquinas térmicas en una tesis fundacional: Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia ( 1824 ). El ciclo de Carnot , estudiado en esta tesis , sigue siendo el principal ejemplo de estudio teórico de estas máquinas que transforman la energía térmica en trabajo siguiendo un ciclo de cuatro pasos reversibles. Sadi Carnot calcula el rendimiento máximo teórico de las máquinas térmicas, que las máquinas reales pueden compararse a través de rendimiento y describe los principios utilizados ya que en muchas máquinas de: motores de calor , bombas de calor , equipos de aire acondicionado y máquinas de refrigeración , o de vapor y de gases de turbinas . Esta tesis también esbozó la noción de irreversibilidad , que es la base del segundo principio de la termodinámica.

Del calor al movimiento

El estudio de las máquinas térmicas es la base de muchas aplicaciones importantes, como las máquinas térmicas o las turbinas de vapor, y ha contribuido a una mejor comprensión de determinados fenómenos naturales, en particular los meteorológicos.

Esta sección presenta algunos ejemplos en los que la energía térmica (o potencia de fuego) pone en movimiento la materia.

• Una vela encendida pone en movimiento el aire a su alrededor. Se crea una corriente ascendente por encima de la llama . Se renueva perpetuamente por una corriente de aire frío que llega desde abajo. Es una corriente de convección .
• El agua en una olla al fuego comienza a moverse como el aire sobre la vela y como todos los fluidos sobre superficies suficientemente calientes. Si se pone una tapa, se produce un nuevo fenómeno: el vapor levanta la tapa, que luego cae para ser levantada una y otra vez hasta que se agota el fuego o el agua, y por tanto la producción de vapor. La invención de las máquinas de vapor podría estar relacionada con esta simple observación. Si reemplaza la tapa con un pistón en un cilindro, obtiene un sistema de pistón que puede ser empujado por vapor o cualquier otro gas durante una carrera larga , y que es la base de un motor. Las máquinas de vapor y las máquinas térmicas no siempre se basan en el principio de pistón y cilindro, pero las otras soluciones no son muy diferentes. Por tanto, podemos considerar que la experiencia de la tapa de la sartén está en el origen de los inventos de todos estos motores.
• Los hombres conocían la turbina de vapor mucho antes de la obra de Sadi Carnot . Uno de los primeros logros fue el eolipilo, que consiste en una bola de metal que gira sobre un eje. El agua contenida en la bola se calienta desde abajo: produce dos chorros de vapor tangenciales y opuestos que ponen la bola en movimiento. Este sistema apenas se mejoró hasta los tiempos modernos. Los motores a reacción de hoy ( turbinas de gas ) funcionan en gran medida con el mismo principio que este antepasado de la turbina .
• La fuerza motriz del fuego se ha desarrollado enormemente para fabricar armas. En un arma de fuego, el proyectil (bala, proyectil u otro) es empujado dentro del cañón por la expansión muy rápida del gas muy caliente producido por la combustión de pólvora o cualquier otro explosivo . El cañón forma un cilindro en el que circula el proyectil que desempeña el papel de pistón.
• La atmósfera de la Tierra se pone en movimiento por el calor del Sol  : las diferencias de temperatura en la superficie de la tierra y en la atmósfera crean diferencias de presión que generan el viento . Por tanto, el poder del viento es también una forma del poder del fuego.

  • El eolípilo de Garza de Alejandría  : el antepasado de las turbinas de vapor.

  • Máquina térmica típica: el calor pasa de caliente a frío y se produce trabajo.

  • Principio de un arma de fuego: la explosión creada por el disparo de la pólvora arroja rápidamente la bala al cañón.

  • La brisa marina, creada por la diferencia de temperatura del aire, la tierra y el mar, se invierte entre el día y la noche.

  Sistema termodinámico típico

  Un sistema termodinámico típico es un subconjunto del universo formado por una gran cantidad de partículas. Para el estudio de este sistema, la termodinámica está interesada en las propiedades generales y no en los comportamientos individuales de cada partícula o subconjunto de partículas. Por tanto, es necesario crear y razonar sobre cantidades macroscópicas, como la temperatura , la presión o la entropía , que hagan coherente la descripción macroscópica de la materia .

  Las características esenciales de un sistema termodinámico se definen de la siguiente manera:

  • el sistema es macroscópico: comprende un gran número de partículas (típicamente un número al menos cercano al número de Avogadro );NOA{\ Displaystyle N _ {\ text {A}}}
  • el sistema es puro o es una mezcla dependiendo de si está formado por partículas idénticas o no;
  • el sistema es homogéneo o heterogéneo según consta de una sola fase o no.

  El sistema se define además por sus relaciones con su entorno y, por ejemplo, puede ser:

  • aislado si no hay transferencia con el medio ambiente;
  • cerrado si no intercambia materia con el medio ambiente;
  • abierto si no está aislado ni cerrado.

  Generalmente estudiamos sistemas homogéneos cerrados para luego buscar generalizar los resultados a sistemas más complejos.

  La définition très générale d'un système thermodynamique permet d'en concevoir et étudier de toutes tailles: un tel système peut en effet être constitué de quelques centimètres cubes de gaz ou quelques grammes de solide, mais peut aussi s'étendre à l'univers entero. Esto es lo que permitió Clausius medio del XIX °  siglo a decir que: "La energía del universo es constante y la entropía del universo tiende hacia un máximo."

  Caracterización de un sistema termodinámico

  Representación

  Cuando se determinan las variables que permiten caracterizar el sistema, se hace la “representación del sistema”.

  Diferencia

  La varianza de un sistema se define como el número máximo de variables independientes intensivas que un experimentador puede fijar sin romper el equilibrio del sistema. Puede calcularse mediante la regla de Gibbs .

  Por ejemplo, la varianza de un gas ideal es 2: el experimentador puede elegir libremente los valores de presión y temperatura.

  Variables intensivas y extensivas

  Las variables de estado son variables que definen el sistema que simplemente establecen el valor para reconstruir exactamente el mismo sistema. Entre estas cantidades físicas se distinguen las variables extensivas e intensivas .

  Una variable de estado es extensa cuando su valor para todo el sistema es la suma de sus valores para cada una de sus partes. Las grandes cantidades son proporcionales a la cantidad de material en el sistema. También decimos que una variable extensiva es una variable homogénea de grado 1 con respecto a la cantidad de materia.

  Las principales variables extensivas utilizadas en termodinámica son: el volumen (anotado y medido en metros cúbicos , símbolo m 3 ), masa ( , en kilogramos , kg), la cantidad de materia ( , en moles , mol) o el número de partículas de una especie dada (denotada , adimensional), energía interna ( , en joules , J) y entropía ( , en joules por kelvin , J / K), o la entalpía ( , en joules, J). V{\ Displaystyle V}metro{\ Displaystyle m}no{\ Displaystyle n}NO{\ Displaystyle N}U{\ Displaystyle U}S{\ Displaystyle S}H{\ Displaystyle H}

  Una variable de estado es intensiva cuando en un sistema homogéneo su valor es el mismo para todo el sistema y para cada una de sus partes, independientemente de la cantidad de material en el sistema. También decimos que una variable intensiva es una variable homogénea de grado 0 con respecto a la cantidad de materia.

  Las principales variables intensivas utilizadas en termodinámica son: presión ( , medida en pascales , símbolo Pa), temperatura absoluta ( , en kelvins , K), viscosidad (medida en pascales segundos , Pa s), o incluso volumen de masa ( , en kilogramos por metro cúbico, kg / m 3 ) y energía por unidad de volumen o masa (en julios por metro cúbico o por kilogramo). PAG{\ Displaystyle P}T{\ Displaystyle T}ρ{\ Displaystyle \ rho}

  Equilibrio y transformación

  Un sistema está en equilibrio termodinámico si está simultáneamente en equilibrio térmico , mecánico y químico .

  El objetivo de la termodinámica es caracterizar la transformación del estado de un sistema entre un tiempo inicial y un tiempo final, correspondiente a dos estados de equilibrio.

  Esta transformación puede tener diferentes características, que incluyen:

  • isobárico (a presión constante del sistema);
  • isocórico (a volumen constante);
  • isotérmico (a temperatura constante);
  • adiabático (sin intercambio de calor con el exterior).

  También puede ser cíclico o no, reversible o no, finalmente puede ser repentino o casi estático .

  Las transformaciones cuasiestáticas son fundamentales en termodinámica: la transición del estado inicial al estado final se realiza con la suficiente lentitud para que las variables de estado del sistema puedan considerarse en evolución continua y permaneciendo homogéneas en el sistema durante el procesamiento. Entonces, el sistema se comporta como si pasara por una sucesión de estados de equilibrio muy próximos entre sí. Entonces es posible aplicarle los diversos principios de la termodinámica y utilizar las herramientas del cálculo infinitesimal y las probabilidades , como la ley de los grandes números , para predecir su evolución.

  Este método es tan importante que algunos definen la termodinámica como la ciencia de transformar grandes sistemas en equilibrio.

  Principios de termodinámica.

  La termodinámica se basa en cuatro principios que complementan el de la conservación de la masa  :

  • el principio cero se refiere al concepto de equilibrio térmico  ;
  • el primer principio (principio de equivalencia) se relaciona con la naturaleza conservadora de la energía  ;
  • el segundo principio (el principio de Carnot) afirma la noción de irreversibilidad y el concepto de entropía  ;
  • el tercer principio (el principio de Nernst) está finalmente interesado en las propiedades de la materia en la vecindad del cero absoluto .

  Los principios primero y segundo son fundamentales. Los otros principios (0 y 3) se pueden deducir de los principios 1 y 2 y de las fórmulas de la física estadística.

  Primer principio de termodinámica

  El primer principio de la termodinámica permite estudiar las transferencias y transformaciones de energía entre un estado inicial (I) y un estado final (F). Afirma que la energía total de un sistema aislado se conserva en todas las transformaciones que sufre este sistema.

  Estados

  Para cualquier sistema termodinámico podemos definir, hasta una constante, una función , denominada energía interna y que tiene las siguientes propiedades: U{\ Displaystyle U}

  • U{\ Displaystyle U}es una función de estado (solo depende de los estados inicial y final de la transformación). Se describe por variables necesarias y suficientes;
  • U{\ Displaystyle U} es extenso;
  • U{\ Displaystyle U} se mantiene en un sistema aislado.

  Durante una transformación infinitesimal entre un estado inicial y un estado final, la variación de la energía interna de un sistema cerrado verifica: ΔU{\ Displaystyle \ Delta U}

  Dmivs+Dmipag+DU=δW+δQ{\ Displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {c}} + \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {p}} + \ mathrm {d} U = \ delta W + \ delta Q}

  o :

  • Dmivs{\ Displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {c}}}denota el cambio de energía cinética  ;
  • Dmipag{\ Displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {p}}}la variación de la energía potencial externa;
  • δW{\ Displaystyle \ delta W} el trabajo de las fuerzas del entorno externo sobre el sistema (la derivada es parcial ya que hay varios caminos posibles);
  • δQ{\ Displaystyle \ delta Q} la cantidad de calor recibida del ambiente fuera del sistema (la derivada es parcial ya que hay varios caminos posibles).
  Explicación del primer principio

  El primer principio de la termodinámica , o el principio de conservación de la energía, establece que la energía siempre se conserva. En otras palabras, la energía total de un sistema aislado permanece constante. Los eventos que ocurren allí solo resultan en la transformación de ciertas formas de energía en otras formas de energía. Por tanto, la energía no se puede producir ex nihilo  ; está en cantidad invariable en la naturaleza. Solo se puede transmitir de un sistema a otro. No creamos energía, la transformamos.

  Este principio es también una ley general para todas las teorías físicas (mecánica, electromagnetismo, física nuclear ...). Nunca hemos encontrado la más mínima excepción y sabemos por el teorema de Noether que la conservación de la energía está estrechamente relacionada con una uniformidad de la estructura del espacio-tiempo. Se une a un principio promovido por Lavoisier  : "  Nada se pierde, nada se crea, todo se transforma  ".

  Segundo principio de termodinámica

  El primer principio prohíbe cualquier transformación que genere energía, pero autoriza todos los demás, en particular todos aquellos que sean reversibles y respeten la conservación de la energía. Sin embargo, en muchos casos, los experimentadores pudieron observar que ciertas transformaciones no eran reversibles: por ejemplo, una gota de tinte que se diluye en agua nunca volverá a convertirse en una gota de tinte. Para explicar esta irreversibilidad, se necesita otro principio: es el segundo principio de la termodinámica el que define una nueva variable de estado, la entropía .

  Estados

  Hay una función llamada entropía, como por ejemplo: S{\ Displaystyle S}

  • S{\ Displaystyle S} es extenso;
  • S{\ Displaystyle S} es una función de estado en equilibrio
  • durante la evolución de un sistema cerrado, la entropía del sistema satisface la siguiente desigualdad en los puntos de intercambio:
  DS≥(δQT)Xj{\ Displaystyle \ mathrm {d} S \ geq \ left ({\ frac {\ delta Q} {T}} \ right) _ {x_ {j}}}

  o :

  • DS{\ Displaystyle \ mathrm {d} S} denota el cambio en la entropía (J / K);
  • δQ{\ Displaystyle \ delta Q} el calor recibido (J);
  • T{\ Displaystyle T} temperatura (K);
  • Xj{\ Displaystyle x_ {j}} el (los) punto (s) de intercambio.

  Nota: cuando se alcanza la entropía máxima, la temperatura es la misma en todas partes del sistema.

  Explicación del segundo principio

  El segundo principio de la termodinámica , o principio de evolución de los sistemas, afirma la degradación de la energía: la energía de un sistema pasa necesaria y espontáneamente de formas concentradas y potenciales a formas difusas y cinéticas (fricción, calor,  etc. ). Introduce así la noción de irreversibilidad de una transformación y la noción de entropía. Afirma que la entropía de un sistema aislado aumenta o permanece constante.

  Este principio a menudo se interpreta como una "medida de desorden" y como la imposibilidad de pasar del "desorden" al "orden" sin intervención externa. Esta interpretación se basa en la teoría de la información de Claude Shannon y el alcance de esta "información" o entropía de Shannon . Este principio tiene un origen estadístico  : a diferencia del primer principio, las leyes microscópicas que gobiernan la materia sólo la contienen implícita y estadísticamente.

  El segundo principio tiene muchísimas interpretaciones e implicaciones que han llevado, a lo largo de los años y los descubrimientos, a más de 20 formulaciones diferentes.

  Principio cero de termodinámica

  Estados

  Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, también están juntos en equilibrio térmico.

  Explicación del principio cero

  El principio cero de la termodinámica se refiere a la temperatura y la noción de equilibrio térmico. Está en la base de la termometría : afirma que la temperatura es una cantidad detectable , y, en consecuencia, es posible medirla por comparación, por lo tanto diseñar termómetros .

  Tercer principio de termodinámica

  Estados

  El tercer principio establece que la entropía S de un sistema termodinámico en equilibrio interno se acerca a una constante universal S0 cuando la temperatura absoluta T se acerca a cero. Alternativamente, podemos decir que S → S0 en un estado en el que la cantidad tiende a 0, donde {e} representa los miembros restantes de un conjunto completo de variables extensivas. Por convención, y de acuerdo con la mecánica estadística, el valor de esta constante universal S → S0 se considera cero. Dado que la entropía es una función de la temperatura que aumenta monótonamente, esta convención implica que la entropía es una cantidad positiva. (∂U/∂S)mi{\ Displaystyle {\ biggl (} \ U parcial / \ parcial S {\ biggr)} _ {e}}

  Explicación del tercer principio

  El tercer principio de la termodinámica está asociado con el descenso hacia su estado cuántico fundamental de un sistema cuya temperatura se acerca a un límite que define la noción de cero absoluto . En termodinámica clásica se utiliza este principio, para el establecimiento de tablas de datos termodinámicos, para el cálculo de la entropía molar S de una sustancia pura (por integración sobre la temperatura, de S = 0 a 0  K ).

  Definición axiomática de termodinámica

  La termodinámica se puede definir matemáticamente con precisión mediante un conjunto de 4 axiomas (o postulados ). Esta definición, denominada axiomática, da una base matemática sólida a los principios de la termodinámica y justifica el uso en termodinámica de los métodos de cálculo diferencial y cálculo integral.

  Postulado 1

  Los estados de equilibrio macroscópico de cualquier sistema termodinámico se caracterizan completamente por la especificación de la energía interna del sistema y un número finito de parámetros extensivos . U{\ Displaystyle U}X0,X1,X2,...,Xno{\ Displaystyle X_ {0}, X_ {1}, X_ {2}, ..., X_ {n}}

  Este postulado permite afirmar la existencia de la variable de estado "energía interna", que es posible representar cualquier sistema indicado anteriormente y que cualquier sistema tiene una varianza finita. Es uno de los fundamentos del primer principio de la termodinámica.

  Postulado 2

  Hay una función llamada entropía . La entropía es una función de los parámetros extensivos, se define para todos los estados de equilibrio y tiene la siguiente propiedad: los valores asumidos de los parámetros extensivos en ausencia de restricciones externas son aquellos que maximizan la entropía en los estados de equilibrio restringidos múltiples . S{\ Displaystyle S}

  Este postulado es uno de los fundamentos del segundo principio de la termodinámica.

  Postulado 3

  Cuando la entropía de cada subsistema constituyente es una función homogénea de primer orden de los parámetros extensivos, la entropía del sistema general es la suma de las entropías de los subsistemas constituyentes. La entropía es entonces continua y diferenciable y es una función de la energía que aumenta monótonamente.

  Este postulado es uno de los fundamentos del segundo principio de la termodinámica.

  Postulado 4

  La entropía de cualquier sistema desaparece en el estado en el que:

  T≡(∂U/∂S)X1,X2,...=0{\ Displaystyle T \ equiv {\ biggl (} \ parcial U / \ parcial S {\ biggr)} _ {X_ {1}, X_ {2}, ...} = 0}

  Este postulado es la base del segundo principio y permite encontrar el tercero.

  Notas y referencias

  1. termodinámica está principalmente en el origen de la termoquímica .
  2. termodinámica se utiliza en la explicación del " Big Bang " y la evolución del universo .
  3. Calor , Encyclopædia Universalis .
  4. Laplace y Lavoisier, "  Memory on heat  " , en lavoisier.cnrs.fr ,1780(consultado en marzo de 2021 ) .
  5. (en) Albert Einstein, Notas para una autobiografía , The Saturday Review of Literature,1949( leer en línea ) , pág.  12
  6. No fue hasta principios del XX °  siglo con el trabajo de Albert Einstein (1905) y Jean Perrin (1909), que se explican científicamente el origen y las principales propiedades del movimiento browniano.
  7. Estas fórmulas son válidas si solo los choques influyen en las moléculas y las demás interacciones son insignificantes. Esto supone una presión relativamente baja, típicamente menos de 10 atmósferas.
  8. Bonnefoy , 2016 , p.  3-6.
  9. Sadi Carnot, Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego , París, Bachelier,1824( leer en línea ).
  10. En lugar de "fuerza motriz", decimos hoy que las máquinas térmicas proporcionan trabajo , y nos preguntamos cómo utilizar el calor para producir un trabajo continuo.
  11. Las cuatro etapas del ciclo de Carnot son: compresión isotérmica, compresión adiabática, expansión isotérmica, expansión adiabática.
  12. Cleynen , 2015 , p.  161-165.
  13. Cleynen , 2015 , p.  155-157.
  14. Cleynen , 2015 , p.  157-161.
  15. Cleynen , 2015 , p.  250-270.
  16. Cleynen , 2015 , p.  281-314.
  17. pistolas de aire comprimido funcionan de manera similar: es la rápida expansión del gas lo que impulsa el proyectil hacia el interior del cañón.
  18. Bonnefoy , 2016 , p.  3.
  19. Brunet, Hocquet y Leyronas 2019 , p.  9-10.
  20. Bobroff 2009 , p.  9.
  21. Clausius, Teoría mecánica del calor , París, Eugène Lacroix,1868, 441  p. ( leer en línea ) , pág.  420
  22. Ribière 2010 , p.  7.
  23. Bonnefoy , 2016 , p.  10.
  24. De manera más general, cualquier variable que sea la relación entre dos variables extensivas es una variable intensiva.
  25. Algunas magnitudes físicas imaginables y mensurables no son extensivas ni intensivas: este es el caso, por ejemplo, del cuadrado del volumen de un conjunto de partículas.
  26. Brunet 2019 , p.  12-13.
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  31. Ribière 2010 , p.  16-17.
  32. Esto es cierto siempre que no exista un fenómeno de equivalencia masa-energía E = mc 2 o incluso si se dice que la masa es energía.
  33. Bobroff , 2009 , p.  18.
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  39. Leborgne 2019 , p.  23-25.

  Ver también

  Artículos relacionados

  • Historia de la termodinámica clásica
  • Historia de la termodinámica y la física estadística
  • Cronología de la termodinámica y la física estadística
  • Teoría cinética de los gases
  • Ciclo termodinámico
  • Transferencia térmica
  • Diagrama de fases
  • Entropía
  • Neguentropía
  • Proceso isobárico y proceso monobárico
  • Proceso adiabático
  • Termoquímica

  enlaces externos

  • Registros de autoridad  :
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  • Avisos en diccionarios generales o enciclopedias  : Enciclopedia De Agostini  • Encyclopædia Britannica  • Encyclopædia Universalis  • Enciclopedia Treccani  • Gran Enciclopèdia Catalana

  Bibliografía

  Fuentes

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  • Robert Locqueneux, prehistoria e historia de la termodinámica (una historia del calor) , Folletos históricos y filosofía de la ciencia , n o  45, Sociedad Francesa de Historia de la Ciencia y la Tecnología,Diciembre de 1996, 333 p. ( ISSN  0221-3664 ) .Teorías de la prueba de calor al XVIII XX y XIX XX  siglos.
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