Hispanopedia WikiEn termodinámica , una pared diatérmica entre dos sistemas termodinámicos permite la transferencia de calor , pero no permite la transferencia de materia a través de ella.
La pared diatérmica es importante porque, en termodinámica, es habitual asumir a priori , para un sistema cerrado , la existencia física de transferencia de energía a través de una pared impermeable a la materia pero no adiabática , transferencia que se denomina transferencia de energía en forma de calor, aunque no es habitual etiquetar esta suposición por separado como un axioma o una ley numerada. [ 1 ]
Definiciones de transferencia de calor
En termodinámica teórica, autores reconocidos difieren en sus enfoques para definir la cantidad de calor transferido. Existen dos corrientes principales de pensamiento. Una, desde un punto de vista principalmente empírico (que aquí denominaremos corriente termodinámica), define la transferencia de calor como un proceso que ocurre únicamente mediante mecanismos macroscópicos específicos ; en términos generales, este enfoque es históricamente más antiguo. La otra (que aquí denominaremos corriente mecánica), desde un punto de vista principalmente teórico, la define como una cantidad residual calculada después de que se hayan determinado las transferencias de energía, en forma de trabajo macroscópico, entre dos cuerpos o sistemas cerrados, para un proceso, de manera que se cumpla el principio de conservación de la energía o la primera ley de la termodinámica para sistemas cerrados; este enfoque se desarrolló en el siglo XX, aunque ya se manifestaba parcialmente en el siglo XIX. [ 2 ]
Corriente de pensamiento termodinámica
En la corriente de pensamiento termodinámica, los mecanismos específicos de transferencia de calor son la conducción y la radiación . Estos mecanismos presuponen el conocimiento de la temperatura ; la temperatura empírica es suficiente para este propósito, aunque la temperatura absoluta también puede servir. En esta corriente de pensamiento, la cantidad de calor se define principalmente mediante calorimetría . [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
Aunque su definición difiere de la del pensamiento mecanicista, el pensamiento empírico presupone la existencia de recintos adiabáticos. Los define mediante los conceptos de calor y temperatura. Estos dos conceptos son coherentes entre sí, ya que surgen conjuntamente en la descripción de experimentos de transferencia de energía en forma de calor. [ 7 ]
Corriente de pensamiento mecánica
En la corriente mecánica del pensamiento sobre sistemas cerrados, el calor transferido se define como una cantidad residual calculada de energía transferida después de que se ha determinado la energía transferida como trabajo, asumiendo para el cálculo la ley de conservación de la energía, sin referencia al concepto de temperatura. [ 8 ] [ 1 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] Hay cinco elementos principales de la teoría subyacente.
- La existencia de estados de equilibrio termodinámico, determinables por precisamente una variable de estado (llamada variable no deformable) más que el número de variables de trabajo (deformación) independientes.
- Que un estado de equilibrio termodinámico interno de un cuerpo tenga una energía interna bien definida , es lo que postula la primera ley de la termodinámica.
- La universalidad de la ley de conservación de la energía.
- El reconocimiento del trabajo como una forma de transferencia de energía.
- La irreversibilidad universal de los procesos naturales.
- La existencia de recintos adiabáticos.
- La existencia de paredes permeables únicamente al calor.
Las presentaciones axiomáticas de esta corriente de pensamiento varían ligeramente, pero pretenden evitar las nociones de calor y temperatura en sus axiomas. Es fundamental para esta corriente que el calor no se presuponga como algo medible mediante calorimetría. Es fundamental para esta corriente que, para especificar el estado termodinámico de un cuerpo o sistema cerrado, además de las variables de estado denominadas variables de deformación, exista precisamente una variable de estado adicional de valor real, llamada variable de no deformación, aunque no deba reconocerse axiomáticamente como una temperatura empírica, a pesar de que cumpla los criterios para ser considerada como tal.
Relatos de la pared diatérmica
Como se mencionó anteriormente, una pared diatérmica puede transmitir energía en forma de calor por conducción térmica, pero no la materia. Una pared diatérmica puede moverse y, por lo tanto, participar en una transferencia de energía en forma de trabajo. Entre las paredes impermeables a la materia, las paredes diatérmicas y adiabáticas son opuestas.
En lo que respecta a la radiación, pueden resultar útiles algunos comentarios adicionales.
En la termodinámica clásica, no se considera la radiación unidireccional, de un sistema a otro. La radiación bidireccional entre dos sistemas es uno de los dos mecanismos de transferencia de energía en forma de calor. Puede ocurrir a través del vacío, con los dos sistemas separados del vacío intermedio por paredes permeables únicamente a la radiación; esta disposición se ajusta a la definición de pared diatérmica. El balance de la transferencia radiativa es transferencia de calor.
En termodinámica, no es necesario que la transferencia radiativa de calor sea de radiación de cuerpo negro pura, ni de radiación incoherente. Por supuesto, la radiación de cuerpo negro es incoherente. Así, la radiación láser se considera en termodinámica como un componente unidireccional de la radiación bidireccional que constituye la transferencia de calor. Además, según el principio de reciprocidad de Helmholtz, el sistema objetivo irradia hacia el sistema fuente láser, aunque, por supuesto, de forma relativamente débil en comparación con la luz láser. Según Planck, un haz de luz monocromático incoherente transfiere entropía y posee una temperatura. [ 13 ] Para que una transferencia se considere trabajo, debe ser reversible en el entorno, por ejemplo, en el concepto de depósito de trabajo reversible. La luz láser no es reversible en el entorno y, por lo tanto, es un componente de la transferencia de energía en forma de calor, no de trabajo.
En la teoría de la transferencia radiativa, se considera la radiación unidireccional. Para investigar la ley de radiación térmica de Kirchhoff , son necesarias las nociones de absortividad y emisividad , las cuales se basan en la idea de la radiación unidireccional. Estos conceptos son importantes para el estudio de los coeficientes de Einstein , que a su vez dependen en parte de la noción de equilibrio termodinámico .
Para la corriente de pensamiento termodinámica, la noción de temperatura empírica se presupone de forma coordinada en la noción de transferencia de calor para la definición de una pared adiabática. [ 7 ]
Para la corriente de pensamiento mecanicista, la forma exacta en que se definen las paredes es importante.
En la presentación de Carathéodory, es esencial que la definición de pared adiabática no dependa en absoluto de las nociones de calor o temperatura. [ 1 ] Esto se logra mediante una redacción cuidadosa y la referencia a la transferencia de energía únicamente como trabajo. Buchdahl es igualmente cuidadoso. [ 11 ] Sin embargo, Carathéodory postula explícitamente la existencia de paredes permeables solo al calor, es decir, impermeables al trabajo y a la materia, pero aún permeables a la energía de alguna manera no especificada; se denominan paredes diatérmicas. De esto podría inferirse que el calor es energía en transferencia a través de paredes permeables solo al calor, y que tales paredes se admiten en su existencia sin ser etiquetadas como primitivas postuladas.
La corriente de pensamiento mecanicista considera, por lo tanto, que la propiedad del recinto adiabático de no permitir la transferencia de calor a través de sí mismo es una deducción de los axiomas de Carathéodory de la termodinámica, y considera la transferencia de calor como un concepto residual en lugar de un concepto primario.
Referencias
- 1 2 3 Carathéodory, C. (1909).
- ↑ Bailyn, M. (1994), pág. 79.
- ↑ Maxwell, JC (1871), Capítulo III .
- ↑ Planck, M. (1897/1903), pág. 33.
- ↑ Kirkwood y Oppenheim (1961), pág. 16.
- ↑ Beattie y Oppenheim (1979), Sección 3.13.
- 1 2 Planck. M. (1897/1903).
- ↑ Bryan, GH (1907), pág. 47.
- ↑ Nacido, M. (1921).
- ^ Guggenheim, EA (1965), pág. 10.
- 1 2 Buchdahl, HA (1966), pág. 43.
- ↑ Haase, R. (1971), pág. 25.
- ↑ Planck. M. (1914), Capítulo IV .
Bibliografía
- Bailyn, M. (1994). Un estudio de la termodinámica , American Institute of Physics Press, Nueva York, ISBN 0-88318-797-3.
- Beattie, JA, Oppenheim, I. (1979). Principios de termodinámica , Elsevier, Ámsterdam, ISBN 0-444-41806-7.
- Nacido, M. (1921). Kritische Betrachtungen zur tradicional Darstellung der Thermodynamik, Physik. Zeitschr. 22 : 218–224.
- Bryan, GH (1907). Termodinámica. Un tratado introductorio que trata principalmente de los primeros principios y sus aplicaciones directas , BG Teubner, Leipzig.
- Buchdahl, HA (1957/1966). Los conceptos de la termodinámica clásica , Cambridge University Press, Londres.
- Carathéodory, C. (1909). "Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik" . Annalen Matemáticas . 67 (3): 355– 386. doi : 10.1007/BF01450409 . S2CID 118230148 . Aquí se puede encontrar una traducción . Una traducción parcialmente fiable se encuentra en Kestin, J. (1976). The Second Law of Thermodynamics , Dowden, Hutchinson & Ross, Stroudsburg, PA.
- Guggenheim, EA (1967) [1949], Termodinámica. Un tratamiento avanzado para químicos y físicos (quinta ed.), Ámsterdam: North-Holland Publishing Company.
- Haase, R. (1971). Panorama de las leyes fundamentales, capítulo 1 de Termodinámica , páginas 1–97 del volumen 1, ed. W. Jost, de Química física. Un tratado avanzado , ed. H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Academic Press, Nueva York, lcn 73–117081.
- Kirkwood, JG , Oppenheim, I. (1961). Termodinámica química , McGraw–Hill, Nueva York.
- Maxwell, JC (1871), Teoría del calor (primera ed.), Londres: Longmans, Green and Co.
- Planck, M. (1903) [1897], Tratado de Termodinámica , traducido por Ogg, A. (primera ed.), Londres: Longmans, Green and Co.
- Planck. M. (1914). La teoría de la radiación térmica , traducción de Masius, M. de la segunda edición alemana, P. Blakiston's Son & Co., Filadelfia.
- Termodinámica