La termodinámica es una rama de la física que se ocupa del calor , el trabajo y la temperatura , y su relación con la energía , la entropía y las propiedades físicas de la materia y la radiación . El comportamiento de estas cantidades se rige por las cuatro leyes de la termodinámica que transmiten una descripción cuantitativa utilizando cantidades físicas macroscópicas medibles , pero pueden explicarse en términos de constituyentes microscópicos mediante mecánica estadística . La termodinámica se aplica a una amplia variedad de temas en ciencia yla ingeniería , especialmente la química física , la bioquímica , la ingeniería química y la ingeniería mecánica , pero también en otros campos complejos como la meteorología .
Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir del deseo de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor , particularmente a través del trabajo del físico francés Nicolas Léonard Sadi Carnot (1824), quien creía que la eficiencia del motor era la clave que podría ayudar a Francia a ganar las guerras napoleónicas . [1] El físico escocés-irlandés Lord Kelvin fue el primero en formular una definición concisa de la termodinámica en 1854 [2] que decía: "La termodinámica es el tema de la relación del calor con las fuerzas que actúan entre las partes contiguas de los cuerpos, y la relación del calor con la agencia eléctrica".
La aplicación inicial de la termodinámica a los motores térmicos mecánicos se extendió rápidamente al estudio de compuestos químicos y reacciones químicas. La termodinámica química estudia la naturaleza del papel de la entropía en el proceso de las reacciones químicas y ha proporcionado la mayor parte de la expansión y el conocimiento del campo. [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] Surgieron otras formulaciones de la termodinámica. La termodinámica estadística , o mecánica estadística, se ocupa de la estadísticapredicciones del movimiento colectivo de partículas a partir de su comportamiento microscópico. En 1909, Constantin Carathéodory presentó un enfoque puramente matemático en una formulación axiomática , una descripción a menudo denominada termodinámica geométrica .
Una descripción de cualquier sistema termodinámico emplea las cuatro leyes de la termodinámica que forman una base axiomática. La primera ley especifica que la energía puede transferirse entre sistemas físicos como calor , como trabajo y con transferencia de materia. [12] La segunda ley define la existencia de una cantidad llamada entropía , que describe la dirección, termodinámicamente, en la que puede evolucionar un sistema y cuantifica el estado de orden de un sistema y que puede utilizarse para cuantificar el trabajo útil que puede extraerse. del sistema [13]
En termodinámica, se estudian y clasifican las interacciones entre grandes conjuntos de objetos. Central a esto son los conceptos del sistema termodinámico y sus alrededores . Un sistema está compuesto de partículas, cuyos movimientos promedio definen sus propiedades, y esas propiedades a su vez están relacionadas entre sí a través de ecuaciones de estado . Las propiedades se pueden combinar para expresar la energía interna y los potenciales termodinámicos , que son útiles para determinar las condiciones de equilibrio y los procesos espontáneos .
Con estas herramientas, la termodinámica se puede utilizar para describir cómo responden los sistemas a los cambios en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de temas en ciencia e ingeniería , como motores , transiciones de fase , reacciones químicas , fenómenos de transporte e incluso agujeros negros . Los resultados de la termodinámica son esenciales para otros campos de la física y para la química , la ingeniería química, la ingeniería de corrosión , la ingeniería aeroespacial, la ingeniería mecánica , la biología celular ,ingeniería biomédica , ciencia de materiales y economía , por nombrar algunos. [14] [15]