En termodinámica , una pared adiabática entre dos sistemas termodinámicos no permite que el calor o la materia pasen a través de ella.
En las investigaciones teóricas, a veces se asume que uno de los dos sistemas es el entorno del otro. Entonces se asume que el trabajo transferido es reversible dentro del entorno, pero en termodinámica no se asume que el trabajo transferido sea reversible dentro del sistema. El supuesto de reversibilidad en el entorno tiene la consecuencia de que la cantidad de trabajo transferido está bien definida por las variables macroscópicas del entorno. En consecuencia, a veces se dice que el entorno tiene un depósito de trabajo reversible.
Junto a la idea de un muro adiabático está la de un recinto adiabático. Es muy posible que un sistema tenga algunos muros limítrofes que sean adiabáticos y otros que no lo sean. Cuando algunos no son adiabáticos, entonces el sistema no está encerrado adiabáticamente, aunque la transferencia adiabática de energía como trabajo puede ocurrir a través de las paredes adiabáticas.
El recinto adiabático es importante porque, según un autor ampliamente citado, Herbert Callen , "un requisito previo esencial para la mensurabilidad de la energía es la existencia de paredes que no permitan la transferencia de energía en forma de calor". [1] En termodinámica, se acostumbra asumir a priori la existencia física de recintos adiabáticos, aunque no se acostumbra etiquetar esta suposición por separado como un axioma o ley numerada.
Construcción del concepto de recinto adiabático
Definiciones de transferencia de calor.
En termodinámica teórica, los autores respetados varían en sus enfoques para la definición de la cantidad de calor transferido. Hay dos corrientes principales de pensamiento. Una es desde un punto de vista principalmente empírico (que aquí se denominará corriente termodinámica), definir la transferencia de calor como algo que ocurre sólo por mecanismos macroscópicos especificados ; en términos generales, este enfoque es históricamente más antiguo. La otra (que aquí se denominará corriente mecánica) es desde un punto de vista principalmente teórico, para definirla como una cantidad residual después de que se hayan determinado las transferencias de energía como trabajo macroscópico, entre dos cuerpos o sistemas cerrados, para un proceso, para ajustarse al principio de conservación de la energía o la primera ley de la termodinámica para sistemas cerrados; este enfoque creció en el siglo XX, aunque en parte se manifestó en el XIX. [2]
Corriente termodinámica del pensamiento
En la corriente termodinámica del pensamiento, los mecanismos especificados de transferencia de calor son la conducción y la radiación . Estos mecanismos presuponen el reconocimiento 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 a través de la calorimetría . [3] [4] [5] [6]
Aunque su definición de ellos difiere de la de la corriente mecánica del pensamiento, la corriente empírica del pensamiento presupone, no obstante, la existencia de recintos adiabáticos. Los define a través de los conceptos de calor y temperatura. Estos dos conceptos son coordinadamente coherentes en el sentido de que surgen conjuntamente en la descripción de experimentos de transferencia de energía en forma de calor. [7]
Corriente mecánica de pensamiento
En la corriente mecánica del pensamiento sobre un proceso de transferencia de energía entre dos cuerpos o sistemas cerrados, el calor transferido se define como una cantidad residual de energía transferida después de que se ha determinado la energía transferida como trabajo, asumiendo para el cálculo la ley de conservación de energía, sin referencia al concepto de temperatura. [8] [9] [10] [11] [12] [13] Hay cinco elementos principales de la teoría subyacente.
- La existencia de estados de equilibrio termodinámico, determinables precisamente por una (llamada variable de no deformación) más variable de estado que el número de variables independientes de trabajo (deformación).
- Que un estado de equilibrio termodinámico interno de un cuerpo tenga una energía interna bien definida, eso 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 forma de transferencia de energía.
- La irreversibilidad universal de los procesos naturales.
- La existencia de recintos adiabáticos.
- La existencia de paredes permeables solo 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 esencial para esta corriente de pensamiento que el calor no se presupone como medible por calorimetría. Es esencial para esta corriente de pensamiento que, para la especificación del estado termodinámico de un cuerpo o sistema cerrado, además de las variables de estado llamadas variables de deformación, exista precisamente una variable de estado extra con valor de número real, llamada la variable de no deformación, aunque no debe reconocerse axiomáticamente como una temperatura empírica, aunque satisfaga los criterios para una.
Cuentas del muro adiabático
Los autores Buchdahl, Callen y Haase no mencionan el paso de la radiación, térmica o coherente, a través de sus paredes adiabáticas. Carathéodory discute explícitamente los problemas con respecto a la radiación térmica, que es incoherente, y probablemente desconocía la posibilidad práctica de la luz láser , que es coherente. Carathéodory en 1909 dice que deja tales preguntas sin respuesta.
Para la corriente termodinámica del pensamiento, la noción de temperatura empírica se presupone coordinadamente en la noción de transferencia de calor para la definición de una pared adiabática. [7]
Para la corriente mecánica del pensamiento, la forma exacta en que se define la pared adiabática es importante.
En la presentación de Carathéodory, es fundamental que la definición de la pared adiabática no dependa en modo alguno de las nociones de calor o temperatura. [9] Esto se logra mediante una redacción cuidadosa y una referencia a la transferencia de energía solo como trabajo. Buchdahl tiene el mismo cuidado. [12] Sin embargo, Carathéodory postula explícitamente la existencia de muros que son permeables solo al calor, es decir, impermeables al trabajo y a la materia, pero aún permeables a la energía de alguna manera no especificada. Uno podría ser perdonado por inferir de esto que el calor es energía que se transfiere a través de paredes permeables sólo al calor, y que existen como primitivas postuladas indefinidas.
En la presentación ampliamente citada de Callen, [1] se introduce la noción de pared adiabática como límite de una pared que es pobremente conductora de calor. Aunque Callen no menciona aquí explícitamente la temperatura, considera el caso de un experimento con el derretimiento del hielo, realizado en un día de verano, cuando, el lector puede especular, la temperatura de los alrededores sería más alta. Sin embargo, cuando se trata de una definición de núcleo duro, Callen no usa esta descripción introductoria. Finalmente, define un recinto adiabático como lo hace Carathéodory, que pasa energía solo como trabajo y no pasa materia. En consecuencia, define el calor, por lo tanto, como energía que se transfiere a través de la frontera de un sistema cerrado de forma distinta al trabajo.
Como lo sugirió, por ejemplo, Carathéodory y lo utilizó, por ejemplo, Callen, el ejemplo preferido de una pared adiabática es el de un matraz Dewar . Un matraz Dewar tiene paredes rígidas. Sin embargo, Carathéodory exige que sus paredes adiabáticas se imaginen flexibles, y que las presiones sobre estas paredes flexibles se ajusten y controlen externamente para que las paredes no se deformen, a menos que se emprenda un proceso en el que el trabajo se transfiera a través de las paredes. El trabajo considerado por Carathéodory es un trabajo de presión-volumen. Otro texto considera el amianto y la fibra de vidrio como buenos ejemplos de materiales que constituyen una pared adiabática practicable. [14]
La corriente mecánica del pensamiento considera así la propiedad del recinto adiabático de no permitir la transferencia de calor a través de sí mismo como una deducción de los axiomas de la termodinámica Carathéodory.
Referencias
- ↑ a b Callen, HB (1960/1985), p. dieciséis.
- ^ Bailyn, M. (1994), p. 79.
- ↑ Maxwell, JC (1871), Capítulo III.
- ^ Planck, M. (1897/1903), p. 33.
- ^ Kirkwood y Oppenheim (1961), p. dieciséis.
- ^ Beattie y Oppenheim (1979), sección 3.13.
- ^ a b Planck. M. (1897/1903).
- ^ Bryan, GH (1907), p. 47.
- ↑ a b Carathéodory, C. (1909).
- ^ Nacido, M. (1921).
- ^ Guggenheim, EA (1965), p. 10.
- ↑ a b Buchdahl, HA (1966), p. 43.
- ^ Haase, R. (1971), p. 25.
- ^ Reif, F. (1965), p. 68.
Bibliografía
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- Beattie, JA, Oppenheim, I. (1979). Principios de termodinámica , Elsevier, Amsterdam, ISBN 0-444-41806-7 .
- Nacido, M. (1921). Kritische Betrachtungen zur traditionellen 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 termodinámica clásica , Cambridge University Press, Londres.
- Callen, HB (1960/1985). Termodinámica e introducción a la termostatística , segunda edición, John Wiley & Sons, Nueva York, ISBN 0-471-86256-8 .
- C. Carathéodory (1909). "Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik" . Mathematische Annalen . 67 : 355–386. doi : 10.1007 / BF01450409 . S2CID 118230148 .Puede encontrar una traducción aquí Archivado el 12 de octubre de 2019 en Wayback Machine . Se puede encontrar una traducción parcialmente confiable en Kestin, J. (1976). La segunda ley de la termodinámica , Dowden, Hutchinson & Ross, Stroudsburg PA.
- Guggenheim, EA (1967) [1949], Thermodynamics. Un tratamiento avanzado para químicos y físicos (quinta ed.), Amsterdam: North-Holland Publishing Company.
- Haase, R. (1971). Estudio 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.
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