Termodinámica

W. O. Barreto A.

Mérida, 18 de abril del 2006

Vamos a estudiar sistemas complejos que serían muy difíciles de tratar si consideramos el movimiento individual de las partículas que los conforman. Estos sistemas lucen desordenados debido al gran número de partículas involucradas y a las distintas formas en que ellas pueden intercambiar la energía disponible. Para analizar tales sistemas usamos los principios de la Termodinámica. En nuestro estudio de la termodinámica definiremos un nuevo conjunto de variables físicas que describirán macroscópicamente el estado del sistema, y enunciaremos un conjunto de leyes que gobiernan el comportamiento de los referidos sistemas. Intentaremos también mostrar cómo es posible entender estas nuevas leyes sobre la base de las leyes de la mecánica de Newton.

Supongamos que las moléculas de un gas son partículas que coliden elásticamente, entre ellas y con las paredes del recipiente que contiene al gas. Especificando la posición y la velocidad inicial de cada partícula podemos aplicar las leyes de Newton y deducir, en principio, la posición y velocidad de cada partícula en cualquier tiempo futuro. Pudiéramos determinar ciertas propiedades observables (medibles) del sistema, siguiendo así una descripción microscópica. Debido al gran número de partículas, consideramos valores promedios de las cantidades microscópicas. Si el procedimiento de promediación se realiza siguiendo el movimiento de las partículas representativas en un gas, entonces estamos usando la Teoría Cinética de los Gases. Si para la promediación usamos las leyes de las probabilidades aplicadas a distribuciones estadísticas, estaríamos siguiendo la Mecánica Estadística. Es que en cualquier caso las propiedades termodinámicas (macroscópicas) son expresadas como promedios de propiedades moleculares (microscópicas). Las leyes de la termodinámica establecen relaciones entre las propiedades macroscópicas. En este punto la pregunta es ¿podemos describir un sistema y su interacción con el entorno en términos de un pequeño número de propiedades macroscópicas que sean medibles mediante operaciones simples? Al menos para un gas confinado e idealizado, podemos tener éxito a este nivel. Tales propiedades son la Presión, el Volumen, la Temperatura, la Cantidad de Materia, la Energía Interna, la Entropía. Las cuales se denominan también Variables de Estado del sistema termodinámico. Veremos en detalle por qué variables físicas como el Calor y el Trabajo no son variables de estado termodinámicas. A propósito, el enfoque macroscópico no es exclusivo de la termodinámica. Podemos, por ejemplo, medir la variación de cualquiera de la variables con la temperatura y obtener una Ecuación de Estado que describa la interdependencia entre las variables macroscópicas. En general podemos relacionar las variables macroscópicas con las microscópicas, ya que ellas describen de forma diferente la misma situación física. En efecto, las leyes de la termodinámica pueden ser expresadas cuantitativamente en términos de la Mecánica Estadística.

El concepto más interesante que estudiaremos es la Entropía. En la Entropía podemos encontrar física profunda. Nos dice que los sistemas no pueden ser perfectos, aun en situaciones ideales, en cuanto a la utilización de la energía interna, el desorden no lo permite. El desordenado, es el estado natural de los sistemas porque requiere el menor gasto de energía, y el Universo tiende hacia un estado de entropía máxima. Nuestra civilización pretende luchar contra la Naturaleza para usarla a su favor, pero al final, la Naturaleza cobrará. Pareciera entonces que el mejor desarrollo tecnológico es el que afecte lo menos posible a la Naturaleza, el que se integra a ella y la resguarda.