FQ-Engel

4 CAPÍTULO 1 Conceptos fundamentales de Termodinámica
experiencia demuestra que no es posible unir dos sistemas encerrados entre paredes adiabáticas
en equilibrio térmico, poniéndolos en contacto, debido de que las paredes adiabáticas
aislan de la transferencia de “calor”. Si se aproxima una copa de Spyrofoam conteniendo
café caliente hacia otra conteniendo hielo, no alcanzan la misma temperatura. En el Capítulo
2 daremos una definición termodinámica pensando en su experiencia en este punto sobre
el significado de calor.
El segundo caso límite se muestra en la Figura 1.1c. Poniendo los sistemas en contacto
directo, pasado un tiempo ambas presiones alcanzan el mismo valor. Concluimos que los
sistemas tienen la misma temperatura, T 1
= T 2
y decimos que están en equilibrio térmico.
Diremos que estas paredes son diatérmicas. Dos sistemas en contacto, separados por paredes
diatérmicas alcanzan el equilibrio térmico debido a que las paredes diatérmicas conducen
el calor. El café caliente en una copa de cobre es un ejemplo de sistema rodeado por
paredes diatérmicas. Debido a que las paredes son diatérmicas, el café alcanzará rápidamente
la temperatura ambiente
La ley cero de la Termodinámica generaliza el experimento ilustrado en la Figura 1.1
y afirma la existencia de una temperatura objetiva que se puede usar para definir la condición
de equilibrio térmico. El enunciado formal de esta ley es el siguiente:
Dos sistemas que están, por separado, en equilibrio térmico con un tercer sistema
están, también, en equilibrio térmico entre sí.
Hay cuatro leyes de la Termodinámica, que son todas generalizaciones de la experiencia,
más que teoremas matemáticos. Se han comprobado rigurosamente a lo largo de más
de un siglo de experimentación y no se han encontrado violaciones de esas leyes. La desafortunadamente
denominación de ley “cero” se debe al hecho de que se formuló después de
la primera ley de la Termodinámica, pero, lógicamente, la precede. La ley cero nos dice que
podemos determinar si dos sistemas están en equilibrio térmico sin ponerlos en contacto. Imagine
que el tercer sistema es un termómetro, que se define más precisamente en la sección siguiente.
El tercer sistema se puede usar para comparar la temperatura de los otros dos sistemas;
si tienen la misma temperatura, estarán en equilibrio térmico si se ponen en contacto.
1.3 Termometría
La discusión del equilibrio térmico requiere, solamente, que exista un dispositivo, llamado
termómetro, que puede medir el calor o frío relativos. Sin embargo, el trabajo científico
requiere una escala cuantitativa. Para cualquier termómetro útil, la temperatura empírica, t,
debe ser un valor único, continuo y una función monótona de alguna propiedad del sistema
termométrico, designada por x. Ejemplos de propiedades termométricas son el volumen de
un líquido, la resistencia eléctrica de un metal o semiconductor y la fuerza electromotriz generada
en la unión de dos metales diferentes. El caso más simple que podemos imaginar es
aquel en que la temperatura empírica, t, está relacionada linealmente con el valor de la propiedad
termométrica, x:
tx ( )= a+
bx
(1.3)
La Ecuación (1.3) define una escala de temperatura en términos de una propiedad termométrica
específica, fijadas las constantes a y b. La constante a determina el cero de la escala
de temperatura, ya que t(0) = a, y la constante b determina el tamaño de la unidad de
temperatura, denominada grado.
Uno de los primeros termómetros prácticos fue el de mercurio en vidrio. Utiliza la propiedad
de que el volumen de mercurio aumenta monótonamente en el intervalo de temperatura
del estado líquido (entre –38.8°C y 356.7°C). En 1745 Carolus Linnaeus proporcionó
una escala asignando arbitrariamente los valores 0 y 100 a los puntos de congelación y ebullición
del agua, respectivamente. Este intervalo se dividió en 100 grados iguales, que con