Durante mucho tiempo, los físicos y representantes de otras ciencias tenían una forma de describir lo que observaban en el curso de sus experimentos. La f alta de consenso y la presencia de una gran cantidad de términos tomados "de la nada" generó confusión y malentendidos entre los colegas. Con el tiempo, cada rama de la física adquirió sus definiciones y unidades de medida establecidas. Así aparecieron los parámetros termodinámicos, que explican la mayoría de los cambios macroscópicos del sistema.
Definición
Los parámetros de estado, o parámetros termodinámicos, son una serie de cantidades físicas que juntas y cada una por separado pueden caracterizar el sistema observado. Estos incluyen conceptos tales como:
- temperatura y presión;
- concentración, inducción magnética;
- entropía;
- entalpía;
- Energías de Gibbs y Helmholtz y muchas otras.
Seleccione parámetros intensivos y extensivos. Extensivos son los que dependen directamente de la masa del sistema termodinámico, yintensivos - que están determinados por otros criterios. No todos los parámetros son igualmente independientes, por lo tanto, para calcular el estado de equilibrio del sistema, es necesario determinar varios parámetros a la vez.
Además, existen algunos desacuerdos terminológicos entre los físicos. La misma característica física puede ser llamada por diferentes autores ya sea un proceso, o una coordenada, o una cantidad, o un parámetro, o incluso simplemente una propiedad. Todo depende del contenido en el que lo utilice el científico. Pero en algunos casos, existen recomendaciones estandarizadas que los redactores de documentos, libros de texto u órdenes deben cumplir.
Clasificación
Hay varias clasificaciones de parámetros termodinámicos. Entonces, según el primer párrafo, ya se sabe que todas las cantidades se pueden dividir en:
- extensivo (aditivo) - tales sustancias obedecen la ley de la adición, es decir, su valor depende de la cantidad de ingredientes;
- intenso: no dependen de la cantidad de sustancia que se tomó para la reacción, ya que se alinean durante la interacción.
Según las condiciones en las que se encuentran las sustancias que componen el sistema, las cantidades se pueden dividir en aquellas que describen reacciones de fase y reacciones químicas. Además, se deben tener en cuenta las propiedades de los reactivos. Pueden ser:
- termomecánica;
- termofísica;
- termoquímica.
Además de esto, cualquier sistema termodinámico realiza una determinada función, por lo que los parámetros puedencaracterizar el trabajo o calor producido como resultado de la reacción, y también te permitirá calcular la energía requerida para transferir la masa de las partículas.
Variables de estado
El estado de cualquier sistema, incluida la termodinámica, puede determinarse mediante una combinación de sus propiedades o características. Todas las variables que están completamente determinadas solo en un momento particular y que no dependen de cómo llegó exactamente el sistema a este estado se denominan parámetros termodinámicos de estado (variables) o funciones de estado.
El sistema se considera estacionario si las funciones variables no cambian con el tiempo. Una versión del estado estacionario es el equilibrio termodinámico. Cualquier cambio en el sistema, incluso el más pequeño, ya es un proceso y puede contener desde uno hasta varios parámetros de estado termodinámico variables. La secuencia en la que los estados del sistema cambian continuamente entre sí se denomina "ruta del proceso".
Desafortunadamente, todavía hay confusión con los términos, ya que una misma variable puede ser independiente y el resultado de sumar varias funciones del sistema. Por lo tanto, términos como "función de estado", "parámetro de estado", "variable de estado" pueden considerarse sinónimos.
Temperatura
Uno de los parámetros independientes del estado de un sistema termodinámico es la temperatura. Es un valor que caracteriza la cantidad de energía cinética por unidad de partículas ensistema termodinámico en equilibrio.
Si abordamos la definición del concepto desde el punto de vista de la termodinámica, entonces la temperatura es un valor inversamente proporcional al cambio de entropía después de agregar calor (energía) al sistema. Cuando el sistema está en equilibrio, el valor de la temperatura es el mismo para todos sus "participantes". Si hay una diferencia de temperatura, entonces la energía es emitida por un cuerpo más caliente y absorbida por uno más frío.
Hay sistemas termodinámicos en los que al añadir energía, el desorden (entropía) no aumenta, sino que disminuye. Además, si dicho sistema interactúa con un cuerpo cuya temperatura es mayor que la suya, entonces cederá su energía cinética a este cuerpo, y no al revés (según las leyes de la termodinámica).
Presión
La presión es una cantidad que caracteriza la fuerza que actúa sobre un cuerpo, perpendicular a su superficie. Para calcular este parámetro, es necesario dividir la cantidad total de fuerza por el área del objeto. Las unidades de esta fuerza serán los pascales.
En el caso de los parámetros termodinámicos, el gas ocupa todo el volumen del que dispone y, además, las moléculas que lo componen se mueven constantemente de forma aleatoria y chocan entre sí y con el recipiente en el que se encuentran. Son estos impactos los que determinan la presión de la sustancia sobre las paredes del recipiente o sobre el cuerpo que se coloca en el gas. La fuerza se propaga por igual en todas las direcciones precisamente debido a lo impredeciblemovimientos moleculares. Para aumentar la presión, debe aumentar la temperatura del sistema y viceversa.
Energía interna
Los principales parámetros termodinámicos que dependen de la masa del sistema incluyen la energía interna. Consiste en la energía cinética debida al movimiento de las moléculas de una sustancia, así como en la energía potencial que aparece cuando las moléculas interactúan entre sí.
Este parámetro no es ambiguo. Es decir, el valor de la energía interna es constante siempre que el sistema se encuentre en el estado deseado, independientemente de la forma en que se haya alcanzado (el estado).
Es imposible cambiar la energía interna. Es la suma del calor desprendido por el sistema y el trabajo que produce. Para algunos procesos, se tienen en cuenta otros parámetros, como la temperatura, la entropía, la presión, el potencial y el número de moléculas.
Entropía
La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema aislado no disminuye. Otra formulación postula que la energía nunca pasa de un cuerpo con una temperatura más baja a uno más caliente. Esto, a su vez, niega la posibilidad de crear una máquina de movimiento perpetuo, ya que es imposible convertir en trabajo toda la energía disponible para el cuerpo.
El concepto mismo de "entropía" se introdujo en uso a mediados del siglo XIX. Entonces se percibía como un cambio en la cantidad de calor a la temperatura del sistema. Pero esta definición sólo se aplica aprocesos que están constantemente en equilibrio. De esto podemos sacar la siguiente conclusión: si la temperatura de los cuerpos que componen el sistema tiende a cero, entonces la entropía también será igual a cero.
La entropía como parámetro termodinámico del estado del gas se utiliza como indicación de la medida de la aleatoriedad, la aleatoriedad del movimiento de las partículas. Se utiliza para determinar la distribución de moléculas en un área y recipiente determinados, o para calcular la fuerza electromagnética de interacción entre los iones de una sustancia.
Entalpía
La entalpía es la energía que se puede convertir en calor (o trabajo) a presión constante. Este es el potencial de un sistema que está en equilibrio si el investigador conoce el nivel de entropía, el número de moléculas y la presión.
Si se indica el parámetro termodinámico de un gas ideal, en lugar de la entalpía, se utiliza la expresión "energía del sistema extendido". Para que sea más fácil explicarnos este valor, podemos imaginar un recipiente lleno de gas, que es uniformemente comprimido por un pistón (por ejemplo, un motor de combustión interna). En este caso, la entalpía será igual no solo a la energía interna de la sustancia, sino también al trabajo que debe realizarse para llevar el sistema al estado requerido. Cambiar este parámetro depende únicamente del estado inicial y final del sistema, y la forma en que se recibirá no importa.
Energía Gibbs
Los parámetros y procesos termodinámicos, en su mayor parte, están asociados con el potencial energético de las sustancias que componen el sistema. Así, la energía de Gibbs es el equivalente de la energía química total del sistema. Muestra qué cambios ocurrirán en el curso de las reacciones químicas y si las sustancias interactuarán en absoluto.
Cambiar la cantidad de energía y la temperatura del sistema durante el curso de la reacción afecta conceptos como la entalpía y la entropía. La diferencia entre estos dos parámetros se denominará energía de Gibbs o potencial isobárico-isotérmico.
El valor mínimo de esta energía se observa si el sistema está en equilibrio y su presión, temperatura y cantidad de materia permanecen sin cambios.
Energía de Helmholtz
La energía de Helmholtz (según otras fuentes, solo energía libre) es la cantidad potencial de energía que perderá el sistema al interactuar con cuerpos que no están incluidos en él.
El concepto de energía libre de Helmholtz se usa a menudo para determinar qué trabajo máximo puede realizar un sistema, es decir, cuánto calor se libera cuando las sustancias cambian de un estado a otro.
Si el sistema está en un estado de equilibrio termodinámico (es decir, no realiza ningún trabajo), entonces el nivel de energía libre es mínimo. Esto significa que cambiar otros parámetros, como la temperatura,presión, el número de partículas tampoco ocurre.
