La termodinàmica és la part de la física que s'encarrega de la relació entre la calor i el treball. Estudia els efectes de la variació de pressió, temperatura i volum d'un sistema físic (entenem per sistema físic un líquid, un material, un conjunt de cossos, etc.), a un nivell macroscòpic, és a dir, que es pot observar.
El nom termodinamica prové de l'arrel termo, que significa calor i dinàmica que fa a el moviment. El moviment de la calor en un cos.
La matèria està composta per diferents partícules que es mouen de manera desordenada (el que s'anomena entropia). La termodinàmica estudia aquest moviment desordenat.
La termodinàmica és de gran importància puest que descriu una gran quantitat de fenòmens físics, entre ells el funcionament dels motors tèrmics.
Per a 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.
L'estudi de la termodinàmica resulta de gran importància en els motors tèrmics. El cicle dièsel, el cicle Otto o la màquina de vapor o el motor Stirling tenen una estreta relació amb la termodinàmica i les seves lleis a causa que en tots ells hi ha un intercanvi de calor.
Els resultats de la termodinàmica són essencials per a altres camps de la física i la química, enginyeria química, enginyeria aeroespacial, enginyeria mecànica, biologia cel·lular, enginyeria biomèdica, i la ciència de materials per nomenar alguns.
Quines són les lleis de la termodinàmica?
Les tres lleis de la termodinàmica són:
- Primera llei de la termodinàmica: quan l'energia passa, com a treball, com a calor o amb matèria, dins o fora d'un sistema, l'energia interna del sistema canvia d'acord amb la llei de conservació de l'energia.
- Segona llei de la termodinàmica: En un procés termodinàmic natural, augmenta la suma de les entropies dels sistemes termodinàmics en interacció.
- Tercera llei de la termodinàmica: l'entropia d'un sistema s'apropa a un valor constant a mesura que la temperatura s'acosta a l'zero absolut.
A més, convencionalment s'agrega una "llei zero", que defineix l'equilibri tèrmic:
Llei zero de la termodinàmica: si dos sistemes estan en equilibri tèrmic amb un tercer sistema, estan en equilibri tèrmic entre si. Aquesta llei ajuda a definir el concepte de temperatura.
Quina llei diu que l'energia no es crea ni es destrueix només es transforma?
La llei de la conservació de l'energia. Aquesta llei és una conseqüència de la primera llei de la termodinàmica. La llei de conservació de l'energia estableix que la quantitat total d'energia en un sistema aïllat roman constant en tot moment. Una conseqüència directa d'això és que l'energia no pot ser creada o destruïda, però només es pot convertir d'una forma a una altra.
Un exemple de l'aplicació de la llei de la conservació de l'energia és la conversió d'energia a partir de l'energia química a energia cinètica. Una altra conseqüència d'aquesta llei és que un dispositiu mòbil perpetu només pot continuar movent-se per si sol si no proporciona energia al seu entorn, a la pràctica això no és factible.
Segons la teoria especial de la relativitat d'Albert Einstein, la massa és una forma d'energia, i l'energia i la massa poden fusionar-se. Per tant, hi ha poca distinció entre partícules de matèria i partícules d'energia, ja que poden canviar entre si mitjançant, entre altres coses, l'aniquilació. No obstant això, això no afecta la quantitat total d'energia en un sistema tancat. Per tant, la Llei de Conservació d'Energia tracta de preservar la quantitat total d'energia en un sistema aïllat, inclosa l'energia en massa en repòs i totes les altres formes d'energia (cinètica, química, tèrmica, etc.).
Estudi de la termodinàmica
Els principals elements que tenim per estudiar la termodinàmica són:
- Les lleis de la termodinàmica. Aquestes lleis de la termodinàmica defineixen la forma en què l'energia pot ser intercanviada entre sistemes físics en forma de calor o treball. Existeixen 4 lleis de la termodinàmica que s'enumeren començant per la llei zero de la termodinàmica.
- L'entropia. L'entropia defineix el desordre en què es mouen les partícules internes que formen la matèria. L'entropia és una magnitud que pot ser definida per a qualsevol sistema.
A la termodinàmica s'estudien i classifiquen les interaccions entre diversos sistemes. Aquest estudi porta a definir conceptes com a sistema termodinàmic i el seu contorn. Un sistema termodinàmic es caracteritza per les seves propietats, relacionades entre si mitjançant les equacions d'estat. Aquestes es poden combinar per expressar l'energia interna i els potencials termodinàmics, útils per a determinar les condicions d'equilibri entre sistemes i els processos espontanis.
Amb aquestes eines, la termodinàmica descriu com els sistemes responen als canvis en el seu entorn.
Evolució històrica de la termodinàmica
Al principi els desenvolupaments tecnològics, com les anomenades màquines de vapor o els termòmetres, es van dur a terme de manera empírica. Però nu va ser fins al segle XIX quan científics com Carnot i Joule van formalitzar els seus resultats i van determinar les causes teòriques del seu funcionament.
Inicialment, la termodinàmica es va començar a estudiar per poder augmentar l'eficiència de les primeres màquines de vapor.