La termodinàmica és la branca de la física que descriu els efectes dels canvis de temperatura, pressió i volum d'un sistema físic a nivell macroscòpic. Aquesta branca de la física s'enfoca a l'estudi de les transformacions de l'energia, particularment pel que fa a la calor i el treball
La matèria està formada per diferents partícules que es mouen de manera desordenada. D'acord amb la definició de termodinàmica, aquesta ciència no estudia el comportament de cada partícula, sinó que estudia el comportament global de totes aquestes partícules.
Aquesta ciència permet comprendre molts fenòmens naturals i tecnològics, des de leficiència duna màquina fins al funcionament del clima i el metabolisme en els éssers vius.
Què estudia la termodinàmica?
La termodinàmica física estudia com es transforma i transfereix lenergia en forma de calor i treball entre diferents sistemes. Se centra a entendre com aquestes transferències afecten la matèria, especialment en termes de temperatura, pressió i volum. Els principis fonamentals de la termodinàmica sorganitzen en 4 lleis fonamentals.
Aquesta branca de la física estudia com es comporta l'energia i com es converteix d'una manera a una altra, particularment en relació amb la calor i el treball. Per això, analitza les propietats dels sistemes físics i com les variacions en temperatura, pressió i volum influeixen en aquests sistemes. A més de les lleis fonamentals, la termodinàmica s'aplica a diversos processos i tecnologies, com ara la creació de motors tèrmics, refrigeradors i sistemes de calefacció.
Lleis de la termodinàmica
Els principis de la termodinàmica regulen les transformacions relacionades amb la calor, el progrés i els límits. Realment, són axiomes reals basats en lexperiència en què es basa tota la teoria.
En concret, es poden distingir tres principis bàsics, més un principi de zero.
Llei zero
La llei zero de la termodinàmica afirma que quan dos sistemes que interactuen estan en equilibri tèrmic, comparteixen algunes propietats, que es poden mesurar donant-los un valor numèric precís. En conseqüència, quan dos sistemes estan en equilibri tèrmic amb un tercer, estan en equilibri entre ells i la propietat compartida és la temperatura.
La primera llei
La primera llei afirma que quan dos cossos a temperatura diferent estan en contacte, es produeix una transferència de calor fins a un estat d'equilibri. En aquest nou estat, les temperatures dels dos cossos són iguals.
El primer principi és el principi de la conservació de lenergia que diu que lenergia no es crea ni es destrueix; només es transforma.
La segona llei
La segona llei de la termodinçamica estableix que la calor sempre flueix dun objecte calent a un objecte fred, i que no és possible crear una màquina tèrmica 100% eficient. Això es coneix com el principi de la impossibilitat duna màquina de moviment perpetu de segona espècie.
A més, la segona llei introdueix el concepte d'entropia, que mesura la quantitat de desordre en un sistema. L'entropia tendeix a augmentar sempre en un sistema aïllat.
La tercera llei
La tercera llei indica que és impossible assolir el zero absolut amb un nombre finit de transformacions i proporciona una definició precisa de la magnitud anomenada entropia.
Addicionalment, la tercera llei també estableix que l'entropia per a un sòlid perfectament cristal·lí, a la temperatura de 0 Kelvin és igual a 0.
Sistemes termodinàmics
Un sistema termodinàmic és una part específica de lunivers que triem per estudiar i analitzar des del punt de vista de la termodinàmica. Aquest sistema està separat del vostre entorn per límits, que poden ser reals (com les parets d'un recipient) o imaginaris (com una frontera definida només per al propòsit de l'estudi).
L'entorn és tot el que està fora del sistema i hi pot interactuar.
Els límits del sistema són crucials perquè determinen com el sistema pot intercanviar energia i matèria amb el vostre entorn. Per exemple, aquests límits poden permetre el pas de calor, feina, o fins i tot matèria, depenent del tipus de sistema que estiguem analitzant.
Cicles termodinàmics
Un cicle termodinàmic és una sèrie de processos pels quals un sistema termodinàmic passa d‟un estat inicial, a través de diversos canvis d‟estat, i finalment torna al‟estat inicial. Aquests cicles es realitzen en dispositius com a motors i refrigeradors, amb el propòsit de convertir energia tèrmica en treball útil, o viceversa.
El paràmetre principal que savalua en aquests cicles és el rendiment tèrmic. El rendiment tèrmic (η) es calcula com el treball obtingut partit per la calor subministrada
Propietats termodinàmiques
Les propietats termodinàmiques són les característiques que descriuen l‟estat i el comportament d‟un sistema termodinàmic en qualsevol punt d‟un cicle. Aquestes propietats permeten estudiar com un sistema interactua amb el seu entorn i com canvia a mesura que se li aplica energia en forma de calor o feina. Aquestes propietats es divideixen en dues categories principals: intensives i extensives:
-
Propietats intensives : Aquestes no depenen de la quantitat de matèria en el sistema. Exemples de propietats intensives inclouen: la temperatura que mesura el grau de calor o fred dun sistema, la pressió que representa la força exercida pel sistema per unitat dàrea i la densitat que és la massa per unitat de volum.
-
Propietats extensives : Aquestes depenen de la quantitat de matèria en el sistema. Exemples de propietats extensives inclouen la massa (quantitat de matèria al sistema), el volum (espai que ocupa el sistema) o l'energia interna (la suma de totes les energies de les molècules dins del sistema).
Algunes propietats, com l'entropia i l'entalpia, poden ser més abstractes:
-
Entropia : Mesura el desordre o l'aleatorietat de les partícules en un sistema. Com més entropia, més desordre.
-
Entalpia : És la suma de l'energia interna i el producte de la pressió i el volum del sistema. Representa el contingut total denergia útil en un sistema per realitzar treball a pressió constant.
Ús i aplicacions
A continuació enumerem alguns exemples d'algunes de les aplicacions:
- A la cocció d'aliments.
- A l'automoció, la major part dels motors són motors tèrmics .
- En la ciència dels materials per obtenir nous tipus de materials que tinguin propietats químiques i físiques ben definides.
- Aplicacions industrials per transformar primeres matèries en productes acabats utilitzant maquinària i energia.
- En el disseny arquitectònic es tenen en compte les transferències tèrmiques entre l'exterior i l'interior de l'habitatge, especialment a l'arquitectura bioclimàtica i l'energia solar passiva.
- Generació d'electricitat a les centrals tèrmiques on els processos termodinàmics permeten convertir la calor en electricitat.