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Un instrumento termodinámico es cualquier dispositivo que facilita la medición cuantitativa de sistemas termodinámicos . Para que un parámetro termodinámico esté realmente definido, se debe especificar una técnica para su medición. Por ejemplo, la definición última de temperatura es "lo que lee un termómetro". La pregunta sigue: ¿qué es un termómetro?

Hay dos tipos de instrumentos termodinámicos, el medidor y el depósito. Un medidor termodinámico es cualquier dispositivo que mide cualquier parámetro de un sistema termodinámico. Un depósito termodinámico es un sistema que es tan grande que no altera apreciablemente sus parámetros de estado cuando se pone en contacto con el sistema de prueba.

Resumen [ editar ]

Dos herramientas complementarias generales son el medidor y el depósito. Es importante que estos dos tipos de instrumentos sean distintos. Un medidor no realiza su tarea con precisión si se comporta como un depósito de la variable de estado que está tratando de medir. Si, por ejemplo, un termómetro, actuara como un depósito de temperatura, alteraría la temperatura del sistema que se está midiendo y la lectura sería incorrecta. Los medidores ideales no tienen ningún efecto sobre las variables de estado del sistema que están midiendo.

Medidores termodinámicos [ editar ]

Un medidor es un sistema termodinámico que muestra al observador algún aspecto de su estado termodinámico. La naturaleza de su contacto con el sistema que está midiendo se puede controlar, y es lo suficientemente pequeña como para que no afecte apreciablemente el estado del sistema que se está midiendo. El termómetro teórico que se describe a continuación es uno de esos medidores.

En algunos casos, el parámetro termodinámico se define realmente en términos de un instrumento de medición idealizado. Por ejemplo, la ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, también están en equilibrio térmico entre sí. Este principio, como señaló James Maxwell en 1872, afirma que es posible medir la temperatura. Un termómetro idealizado es una muestra de un gas ideal a presión constante. Según la ley de los gases ideales , el volumen de dicha muestra se puede utilizar como indicador de temperatura; de esta manera define la temperatura. Aunque la presión se define mecánicamente, un dispositivo de medición de presión llamado barómetrotambién se puede construir a partir de una muestra de un gas ideal mantenido a una temperatura constante. Un calorímetro es un dispositivo que se utiliza para medir y definir la energía interna de un sistema.

Algunos medidores termodinámicos comunes son:

  • Termómetro : un dispositivo que mide la temperatura como se describe anteriormente.
  • Barómetro : dispositivo que mide la presión. Se puede construir un barómetro de gas ideal conectando mecánicamente un gas ideal al sistema que se está midiendo, mientras se aísla térmicamente. El volumen será entonces medir la presión, por la ecuación del gas ideal P = NKT / V  .
  • Calorímetro : dispositivo que mide la energía térmica agregada a un sistema. Un calorímetro simple es simplemente un termómetro conectado a un sistema aislado térmicamente.

Reservorios termodinámicos [ editar ]

Un depósito es un sistema termodinámico que controla el estado de un sistema, generalmente "imponiéndose" sobre el sistema que se está controlando. Esto significa que se puede controlar la naturaleza de su contacto con el sistema. Un depósito es tan grande que su estado termodinámico no se ve afectado apreciablemente por el estado del sistema que se está controlando. El término " presión atmosférica " en la descripción siguiente de un termómetro teórico es esencialmente un "depósito de presión" que impone presión atmosférica sobre el termómetro.

Algunos reservorios comunes son:

  • Depósito de presión: con mucho, el depósito de presión más común es la atmósfera de la Tierra.
  • Depósito de temperatura: una gran cantidad de agua en su punto triple forma un depósito de temperatura eficaz.

Teoría [ editar ]

Supongamos que comprendemos la mecánica lo suficientemente bien como para comprender y medir el volumen, el área, la masa y la fuerza. Estos pueden combinarse para comprender el concepto de presión, que es fuerza por unidad de área y densidad, que es masa por unidad de volumen. Se ha determinado experimentalmente que, a presiones y densidades suficientemente bajas, todos los gases se comportan como gases ideales . El comportamiento de un gas ideal viene dado por la ley de los gases ideales:

donde P   es la presión, V   es el volumen, N   es el número de partículas (masa total dividida por la masa por partícula), k   es la constante de Boltzmann y T  es la temperatura. De hecho, esta ecuación es más que una ecuación fenomenológica, da una definición operativa o experimental de temperatura. Un termómetro es una herramienta que mide la temperatura: un termómetro primitivo sería simplemente un pequeño recipiente de un gas ideal, al que se le permitió expandirse contra la presión atmosférica. Si lo ponemos en contacto térmico con el sistema cuya temperatura queremos medir, esperamos hasta que se equilibre y luego medimos el volumen del termómetro, podremos calcular la temperatura del sistema en cuestión a través de T = PV / Nk. . Con suerte, el termómetro será lo suficientemente pequeño como para que no altere apreciablemente la temperatura del sistema que está midiendo, y también que la presión atmosférica no se vea afectada por la expansión del termómetro.

El termómetro de gas ideal se puede definir con mayor precisión diciendo que es un sistema que contiene un gas ideal, que está conectado térmicamente al sistema que está midiendo, mientras que está aislado dinámica y materialmente de él. Está simultáneamente conectado dinámicamente a un depósito de presión externo, del cual está material y térmicamente aislado. Ahora se pueden construir otros termómetros (por ejemplo, termómetros de mercurio, que muestran el volumen de mercurio al observador) y calibrarlos con el termómetro de gas ideal.

Referencias [ editar ]