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Física Universitaria Volumen 2

3.1 Sistemas termodinámicos

Física Universitaria Volumen 23.1 Sistemas termodinámicos
  1. Prefacio
  2. Termodinámica
    1. 1 Temperatura y calor
      1. Introducción
      2. 1.1 Temperatura y equilibrio térmico
      3. 1.2 Termómetros y escalas de temperatura
      4. 1.3 Dilatación térmica
      5. 1.4 Transferencia de calor, calor específico y calorimetría
      6. 1.5 Cambios de fase
      7. 1.6 Mecanismos de transferencia de calor
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Teoría cinética de los gases
      1. Introducción
      2. 2.1 Modelo molecular de un gas ideal
      3. 2.2 Presión, temperatura y velocidad media cuadrática (rms)
      4. 2.3 Capacidad calorífica y equipartición de energía
      5. 2.4 Distribución de las velocidades moleculares
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 3 Primera ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 3.1 Sistemas termodinámicos
      3. 3.2 Trabajo, calor y energía interna
      4. 3.3 Primera ley de la termodinámica
      5. 3.4 Procesos termodinámicos
      6. 3.5 Capacidades térmicas de un gas ideal
      7. 3.6 Procesos adiabáticos para un gas ideal
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Segunda ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 4.1 Procesos reversibles e irreversibles
      3. 4.2 Máquinas térmicas
      4. 4.3 Refrigeradores y bombas de calor
      5. 4.4 Enunciados de la segunda ley de la termodinámica
      6. 4.5 El ciclo de Carnot
      7. 4.6 Entropía
      8. 4.7 Entropía a escala microscópica
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Electricidad y magnetismo
    1. 5 Cargas y campos eléctricos
      1. Introducción
      2. 5.1 Carga eléctrica
      3. 5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción
      4. 5.3 Ley de Coulomb
      5. 5.4 Campo eléctrico
      6. 5.5 Cálculo de los campos eléctricos de las distribuciones de carga
      7. 5.6 Líneas de campo eléctrico
      8. 5.7 Dipolos eléctricos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Ley de Gauss
      1. Introducción
      2. 6.1 Flujo eléctrico
      3. 6.2 Explicar la ley de Gauss
      4. 6.3 Aplicación de la ley de Gauss
      5. 6.4 Conductores en equilibrio electrostático
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 7 Potencial eléctrico
      1. Introducción
      2. 7.1 Energía potencial eléctrica
      3. 7.2 Potencial eléctrico y diferencia de potencial
      4. 7.3 Cálculo del potencial eléctrico
      5. 7.4 Determinación del campo a partir del potencial
      6. 7.5 Equipotential Surfaces and Conductors
      7. 7.6 Aplicaciones de la electrostática
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 8 Capacitancia
      1. Introducción
      2. 8.1 Condensadores y capacitancia
      3. 8.2 Condensadores en serie y en paralelo
      4. 8.3 Energía almacenada en un condensador
      5. 8.4 Condensador con dieléctrico
      6. 8.5 Modelo molecular de un dieléctrico
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    5. 9 Corriente y resistencia
      1. Introducción
      2. 9.1 Corriente eléctrica
      3. 9.2 Modelo de conducción en metales
      4. 9.3 Resistividad y resistencia
      5. 9.4 Ley de Ohm
      6. 9.5 Energía eléctrica y potencia
      7. 9.6 Superconductores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 10 Circuitos de corriente directa
      1. Introducción
      2. 10.1 Fuerza electromotriz
      3. 10.2 Resistores en serie y en paralelo
      4. 10.3 Reglas de Kirchhoff
      5. 10.4 Instrumentos de medición eléctrica
      6. 10.5 Circuitos RC
      7. 10.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 11 Fuerzas y campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 11.1 El magnetismo y sus descubrimientos históricos
      3. 11.2 Campos y líneas magnéticas
      4. 11.3 Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético
      5. 11.4 Fuerza magnética sobre un conductor portador de corriente
      6. 11.5 Fuerza y torque en un bucle de corriente
      7. 11.6 El efecto Hall
      8. 11.7 Aplicaciones de las fuerzas y campos magnéticos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    8. 12 Fuentes de campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 12.1 La ley de Biot-Savart
      3. 12.2 Campo magnético debido a un cable recto delgado
      4. 12.3 Fuerza magnética entre dos corrientes paralelas
      5. 12.4 Campo magnético de un bucle de corriente
      6. 12.5 Ley de Ampère
      7. 12.6 Solenoides y toroides
      8. 12.7 El magnetismo en la materia
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    9. 13 Inducción electromagnética
      1. Introducción
      2. 13.1 Ley de Faraday
      3. 13.2 Ley de Lenz
      4. 13.3 Fuerza electromotriz (emf) de movimiento
      5. 13.4 Campos eléctricos inducidos
      6. 13.5 Corrientes de Foucault
      7. 13.6 Generadores eléctricos y fuerza contraelectromotriz
      8. 13.7 Aplicaciones de la inducción electromagnética
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    10. 14 Inductancia
      1. Introducción
      2. 14.1 Inductancia mutua
      3. 14.2 Autoinducción e inductores
      4. 14.3 Energía en un campo magnético
      5. 14.4 Circuitos RL
      6. 14.5 Oscilaciones en un circuito LC
      7. 14.6 Circuitos RLC en serie
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    11. 15 Circuitos de corriente alterna
      1. Introducción
      2. 15.1 Fuentes de ac
      3. 15.2 Circuitos simples de ac
      4. 15.3 Circuitos en serie RLC con ac
      5. 15.4 Potencia en un circuito de ac
      6. 15.5 Resonancia en un circuito de ac
      7. 15.6 Transformadores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    12. 16 Ondas electromagnéticas
      1. Introducción
      2. 16.1 Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
      3. 16.2 Ondas electromagnéticas planas
      4. 16.3 Energía transportada por las ondas electromagnéticas
      5. 16.4 Momento y presión de radiación
      6. 16.5 El espectro electromagnético
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
  12. Índice

Objetivos De Aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Definir un sistema termodinámico, su límite y su entorno.
  • Explicar las funciones de todos los componentes que intervienen en la termodinámica.
  • Definir equilibrio térmico y temperatura termodinámica.
  • Vincular una ecuación de estado a un sistema.

Un sistema termodinámico incluye cualquier cosa cuyas propiedades termodinámicas sean de interés. Está incrustado en su entorno o ambiente; puede intercambiar calor con su ambiente y realizar trabajo sobre él a través de un límite, que es la pared imaginaria que separa el sistema y el ambiente (Figura 3.2). En realidad, el entorno inmediato del sistema interactúa directamente con él y, por tanto, influye mucho más en su comportamiento y propiedades. Por ejemplo, si estudiamos el motor de un automóvil, la gasolina que se quema dentro del cilindro del motor es el sistema termodinámico; el pistón, el sistema de escape, el radiador y el aire del exterior forman el entorno del sistema. El límite está formado por las superficies interiores del cilindro y del pistón.

La figura a ilustra el concepto de un sistema. Un límite separa el sistema, dentro sí mismo, del entorno que está por fuera del límite. La figura b es una ilustración esquemática de un cilindro de motor como ejemplo de un sistema específico. El sistema es el gas dentro del pistón. El límite está formado por el cuerpo del cilindro que contiene el gas y el pistón que tapa el cilindro en la parte superior. El entorno consiste en todo lo que está fuera del cilindro y por encima del pistón.
Figura 3.2 (a) Un sistema, que puede incluir cualquier proceso o valor relevante, es autónomo en un área. El entorno también puede tener información relevante; sin embargo, solo es importante para estudiar si la situación es un sistema abierto. (b) La gasolina que se quema en el cilindro de un motor de automóvil es un ejemplo de sistema termodinámico.

Normalmente, un sistema debe tener algunas interacciones con su entorno. Un sistema se denomina aislado y sistema cerrado si está completamente separado de su ambiente; por ejemplo, un gas que está rodeado de paredes inamovibles y térmicamente aislantes. En realidad, un sistema cerrado no existe, a menos que se trate todo el universo como el sistema, o se use como modelo de un sistema real que tenga interacciones mínimas con su ambiente. La mayoría de los sistemas se conocen como sistema abierto, que pueden intercambiar energía o materia con su entorno (Figura 3.3).

La figura a es una fotografía de una tetera en una estufa. Se ve salir vapor de agua de la boquilla de la tetera. La figura b es una fotografía de una olla a presión sobre una estufa.
Figura 3.3 (a) Esta tetera hirviendo es un sistema termodinámico abierto. Transfiere calor y materia (vapor de agua) a su entorno. (b) Una olla a presión es una buena aproximación a un sistema cerrado. Un poco de vapor de agua se escapa por la válvula superior para evitar la explosión (crédito a: modificación del trabajo de Gina Hamilton; crédito b: modificación del trabajo de Jane Whitney).

Cuando examinamos un sistema termodinámico, ignoramos la diferencia de comportamiento de un lugar a otro dentro del sistema para un momento dado. En otras palabras, nos concentramos en las propiedades macroscópicas del sistema, que son los promedios de las propiedades microscópicas de todas las moléculas o entidades del sistema. Por lo tanto, cualquier sistema termodinámico se trata como un continuo que tiene el mismo comportamiento en todas las partes de su interior. Suponemos que el sistema está en equilibrio. Podría tener, por ejemplo, un gradiente de temperatura a través del sistema. Sin embargo, cuando hablamos de un sistema termodinámico en este capítulo estudiamos aquellos que tienen propiedades uniformes en todo el sistema.

Antes de poder llevar a cabo cualquier estudio sobre un sistema termodinámico necesitamos una caracterización fundamental del sistema. Cuando estudiamos un sistema mecánico nos centramos en las fuerzas y los torques del sistema, y sus balances dictan el equilibrio mecánico del sistema. Del mismo modo, deberíamos examinar la transferencia de calor entre un sistema termodinámico y su ambiente o entre las diferentes partes del sistema, y su equilibrio debería dictar el equilibrio térmico del sistema. Intuitivamente, dicho equilibrio se alcanza si la temperatura pasa a ser la misma para los distintos objetos o partes del sistema en contacto térmico, y la transferencia de calor neta en el tiempo pasa a ser cero.

Así, cuando decimos que dos objetos (un sistema termodinámico y su ambiente, por ejemplo) están en equilibrio térmico, nos referimos a que están a la misma temperatura, tal y como comentamos en la sección Temperatura y calor. Consideremos tres objetos a temperaturas T1,T2,T1,T2, y T3,T3, respectivamente. ¿Cómo sabemos si están en equilibrio térmico? El principio que rige en este caso es la ley cero de termodinámica, tal y como se describe en la sección Temperatura y calor sobre la temperatura y el calor:

Si el objeto 1 está en equilibrio térmico con los objetos 2 y 3, respectivamente, entonces los objetos 2 y 3 también deben estar en equilibrio térmico.

Matemáticamente, podemos escribir simplemente la ley cero de termodinámica como

SiT1=T2yT1=T3,entoncesT2=T3.SiT1=T2yT1=T3,entoncesT2=T3.
3.1

Esta es la forma más fundamental de definir la temperatura: dos objetos deben estar a la misma temperatura termodinámicamente si la transferencia de calor neta entre ellos es cero cuando se ponen en contacto térmico y han alcanzado un equilibrio térmico.

La ley cero de termodinámica es igualmente aplicable a las diferentes partes de un sistema cerrado y requiere que la temperatura en todas partes dentro del sistema sea la misma si el sistema ha alcanzado un equilibrio térmico. Para simplificar nuestra discusión, suponemos que el sistema es uniforme con un solo tipo de material, por ejemplo, agua en un tanque. Las propiedades medibles del sistema incluyen, al menos, su volumen, presión y temperatura. El rango de variables específicas relevantes depende del sistema. Por ejemplo, para una banda elástica estirada las variables relevantes serían longitud, tensión y temperatura. La relación entre estas tres propiedades básicas del sistema se denomina ecuación de estado del sistema y se escribe simbólicamente para un sistema cerrado como

f(p,V,T)=0,f(p,V,T)=0,
3.2

donde V, p y T son el volumen, la presión y la temperatura del sistema en una condición determinada.

En principio, esta ecuación de estado existe para cualquier sistema termodinámico, pero no siempre está disponible. Las formas de f(p,V,T)=0f(p,V,T)=0 para muchos materiales se han determinado experimental o teóricamente. En el capítulo anterior vimos un ejemplo de ecuación de estado para un gas ideal, f(p,V,T)=pVnRT=0.f(p,V,T)=pVnRT=0.

Hasta ahora hemos introducido varias propiedades físicas que son relevantes para la termodinámica de un sistema termodinámico, como su volumen, presión y temperatura. Podemos separar estas cantidades en dos categorías genéricas. La cantidad asociada a una porción de materia es una variable extensiva, como el volumen y el número de moles. Las otras propiedades de un sistema son variables intensivas, como la presión y la temperatura. Una variable extensiva duplica su valor si se duplica la cantidad de materia en el sistema, siempre que todas las variables intensivas sigan siendo las mismas. Por ejemplo, el volumen o la energía total del sistema se duplica si duplicamos la cantidad de materia en el sistema manteniendo la temperatura y la presión del sistema sin cambios.

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