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.
Què estudia la termodinàmica?
A la termodinàmica física s'estudien i classifiquen les interaccions entre diversos sistemes que es caracteritzen per les seves propietats. Aquestes propietats es poden combinar per determinar les condicions dequilibri entre sistemes, els processos espontanis i lintercanvi denergia amb el seu entorn.
Els principals elements que tenim per estudiar-los són:
- Les lleis de la termodinàmica: defineixen la manera com l'energia pot ser intercanviada entre sistemes físics.
- L'entropia: es defineix com el desordre en què es mouen les partícules internes que formen la matèria.
- L'entalpia: es defineix com la quantitat d'energia que intercanvia un sistema amb el seu entorn.
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 de la termodinàmica
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 de la termodinàmica
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 de la termodinàmica
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 de la termodinàmica
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 es refereix a una àrea limitada utilitzada per a la investigació termodinàmica, i és l'objecte de la investigació. L'espai exterior del sistema s'anomena aquest entorn.
Els límits d'un sistema separen el sistema de l'exterior. Aquest límit pot ser real o imaginari, però el sistema s'ha de limitar a un espai limitat. El sistema i el seu entorn poden transferir matèria, treball, calor o altres formes denergia al límit.
Cicles termodinàmics
El paràmetre principal daquests cicles és el rendiment. El rendiment tèrmic es defineix com el treball obtingut dividit per la calor gastada en el procés.
Propietats termodinàmiques
Les propietats termodinàmiques són les propietats que defineixen i intervenen a l'estat termodinàmic d'un sistema.
Aquestes propietats es poden classificar com a extensives o intensives. Entre aquestes propietats hi trobem l'energia interna, l'entropia, l'entalpia, la calor, la temperatura, la pressió, el volum, etc.
Per què serveix la termodinàmica?
La termodinàmica es pot aplicar a una àmplia varietat de temes de ciència i enginyeria, com ara motors, transicions de fase, reaccions químiques, fenòmens de transport, i fins i tot forats negres.
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.
