En termodinámica , una pared diatérmica entre dos sistemas termodinámicos permite la transferencia de calor pero no permite la transferencia de materia a través de ella. [1]
La pared diatérmica es importante porque, en termodinámica, se acostumbra 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. como calor, aunque no es habitual etiquetar este supuesto por separado como un axioma o una ley numerada. [2]
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 calculada 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. [3]
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 . [4] [5] [6] [7]
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. [8]
Corriente mecánica de pensamiento
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. . [9] [2] [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 de la pared diatérmica
Como se mencionó anteriormente, una pared diatérmica puede pasar energía en forma de calor por conducción térmica, pero no la materia. Una pared diatérmica puede moverse y, por lo tanto, ser parte de una transferencia de energía como trabajo. Entre las paredes impermeables a la materia, las diatérmicas y adiabáticas son contrarias.
En el caso de 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 de un vacío, con los dos sistemas separados del vacío intermedio por paredes que son permeables sólo a la radiación; tal disposición se ajusta a la definición de una pared diatérmica. El saldo de la transferencia radiativa es la transferencia de calor.
En termodinámica, no es necesario que la transferencia radiativa de calor sea de pura radiación de cuerpo negro, ni de radiación incoherente. Por supuesto, la radiación de cuerpo negro es incoherente. Por lo tanto, la radiación láser cuenta en termodinámica como un componente unidireccional de la radiación bidireccional que es la transferencia de calor. Además, por el principio [de reciprocidad de Helmholtz], el sistema objetivo irradia hacia el sistema de fuente láser, aunque, por supuesto, relativamente débil en comparación con la luz láser. Según Planck, un rayo de luz monocromático incoherente transfiere entropía y tiene temperatura. [14] Para que una transferencia se califique como obra, 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 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 la investigación de la ley de radiación térmica de Kirchhoff, las nociones de absortividad y emisividad son necesarias, y se basan en la idea de radiación unidireccional. Estas cosas son importantes para el estudio de los coeficientes de Einstein , que se basa en parte en la noción de equilibrio termodinámico .
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. [8]
Para la corriente mecánica del pensamiento, la forma exacta en que se definen las paredes 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. [2] 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 sólo al calor, es decir, impermeables al trabajo ya la materia, pero aún permeables a la energía de alguna manera no especificada; se llaman paredes diatérmicas. 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 se admite que existen sin etiquetar como primitivas postuladas.
Por tanto, la corriente mecánica del pensamiento considera 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 de Carathéodory, y considera la transferencia como calor como un concepto residual más que como un concepto primario.
Referencias
- ^ "¿Qué son las paredes diatérmicas, las paredes diabáticas y las paredes adiabáticas?" . BYJUS . Consultado el 6 de marzo de 2021 .
- ↑ a b c Carathéodory, C. (1909).
- ^ 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.
- ^ Nacido, M. (1921).
- ^ Guggenheim, EA (1965), p. 10.
- ↑ a b Buchdahl, HA (1966), p. 43.
- ^ Haase, R. (1971), p. 25.
- ^ Planck. M. (1914), Capítulo IV .
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.
- Carathéodory, C. (1909). "Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik" . Mathematische Annalen . 67 : 355–386. doi : 10.1007 / BF01450409 . S2CID 118230148 .Puede encontrar una traducción aquí . 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.
- Planck, M. (1903) [1897], Tratado de termodinámica , traducido por Ogg, A. (primera ed.), Londres: Longmans, Green and Co.
- Planck. M. (1914). The Theory of Heat Radiation , una traducción de Masius, M. de la segunda edición alemana, P. Blakiston Son & Co., Filadelfia.