Conceptos

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Termodinámica Clásica 
Conceptos fundamentales 
Física Estadística 
Maestría en Ciencias (Física) IFUAP 
Lilia Meza Montes 
Primavera 2016 
Historia 
Mecánica Clásica 
(1833) 
Electromagnetism
o (1873) 
Mecánica Cuántica 
(1926) 
Ecuaciones de 
(Lagrange) Hamilton 
+ transformaciones 
canónicas 
 
q,p 
Trayectoria de la 
partícula 
 
Medios continuos 
(muchas partículas) 
 
Potencial 
Ecuaciones de 
Maxwell + relaciones 
constitutivas
+condiciones 
 
Campos que 
experimenta la 
partícula 
 
 
 
 
Macróscopico 
Ecuación de 
Schroedinger + 
condiciones a la 
frontera/iniciales 
 
Estados cuánticos 
(energía, función de 
onda) 
Probabilidad de 
obtener valor de 
variables 
 
Estados de muchas 
partículas 
 
Potencial 
Problema fundamental 
¡  Cómo describir un sistema formado 
un numero grande de partículas? 
¡  N~1023 en un cm3 
¡  Metodología particular, no solo 
partículas (radiación) 
¡  Aplicable no solo a fluidos, sólidos 
Enfoques: Equilibrio 
¡  Sistemas en equilibrio 
 las cantidades termodinámicas no 
cambian en el tiempo 
¡  Macroscópico >1micra à 
Termodinámica 
¡  Microscópico: 10Å, dimensiones 
atómicas à Mecánica estadística 
Enfoque: fuera de equilibrio 
¡  Termodinámica irreversible (o 
Mecánica estadística de procesos 
irreversibles) 
¡  Teoría cinética: considera en detalle 
interacciones entre partículas 
Historia 
¡  Bernoulli (1738), Herapath (1821), 
Joule (1851): teoría cinética de 
gases 
¡  Clausius(1857) 
¡  Maxwell (1860) 
¡  Boltzmann (1868-1871) 
¡  Gibbs (1902) 
¡  Planck (1900), Einstein, Bose, 
Fermi-Dirac 
Historia: Estructura Atómica 
¡  John Dalton (1803-1810): 
- Cada elemento químico se compone de átomos de 
un tipo único 
 - No puede ser alterado o destruido por medios 
químicos 
 - Se combinan para formar sustancias 
¡  Avogrado (1811) Dos gases con igual V, P, T 
contienen el mismo número de moléculas. 
 
Generalidades 
¡  Estudio de las propiedades de la materia 
cuando son afectadas por un cambio 
de temperatura, sin considerar la 
composición microscópica de la materia. 
¡  Fenomenológica (basada en 
experimentos). Estadística (postulados-
microscópico) 
¡  Leyes generales (postulados): 
relacionan propiedades de cantidades 
limitadas de materia. 
¡  Diversos sistemas 
¡  Microscópico: mecánica estadística 
Ejemplo: nanoalambres de InAs 
 
380 C 
Wurzita 
480 C 
Blenda 
de zinc 
410 C 
Wurzita/ZB 
5 nm 100 nm 100 nm 50 nm 
CONCEPTOS BÁSICOS 
Definiciones 
¡  Sistema 
termodinámico: 
porción del universo 
físico bajo estudio. 
¡  Alrededores: Parte 
del universo cercano 
que interactúa con 
sistema (intercambio 
de energía) 
Energia 
FRONTERA 
Determinados por el Observador 
Frontera: determina interacción con 
alrededores 
¡  Paredes aislantes: no interacción 
(excepto gravitacional, ignorada) 
 sistema aislado 
¡  Paredes adiabáticas: no permiten 
interacción mediante efectos no 
mecánicos (impiden intercambio térmico) 
 sistema térmicamente aislado 
¡  Paredes diatérmicas: no adiabáticas. 
 sistema en contacto térmico 
 
Modelo Físico 
¡  Definimos cantidades que pueden 
ser medidas 
(posición, presión, magnetización,etc. 
 en nuestro caso: variables o 
coordenadas termodinámicas X, Y) 
 + 
¡  Relaciones entre ellas 
à podemos predecir comportamiento 
EQUILIBRIO TERMODINAMICO 
¡  LOS VALORES NUMERICOS 
ASIGNADOS A LAS VARIABLES 
TERMODINÁMICAS NO VARÍAN CON 
EL TIEMPO 
 ejemplo: sistema aislado siempre 
oJo: pseudoequilibrio (equilibrio local) 
 Estado tiene que ser reproducible 
En este curso: sistemas en equilibrio 
+ teoría cinética 
¡  Dado un sistema, conocido un 
subconjunto de variables termodinámicas 
experimentalmente se encuentra que las 
restantes están determinadas. 
 
Estado termodinámico: condición del 
sistema en la que se han asignado valores 
numéricos para los grados de libertad 
Independientes entre sí: 
 Grados de libertad 
Establecidos por experimento 
Ejemplos 
Sistema Algunas variables (X,Y) 
Fluidos y sólidos Volumen,Presión 
Sustancia Paramagnética Magnetización, campo 
magnético 
Cable 
 
Dieléctrico 
Longitud, tensión 
 
Polarización, campo eléctrico 
Espacio de estados 
¡  Espacio abstracto: coordenadas son 
las variables 
X 
Y 
(X,Y) 
Un punto=un estado Proceso: cambio de 
estado Proceso 
Cuasiestático: 
sucesión de estados de 
equilibrio (trayectoria) 
 
c/punto= un estado Proceso Irreversible 
o no cuasiestático: 
sin trayectoria 
Proceso Ciclico: puntos 
coinciden 
Variables intensivas y extensivas 
¡  Intensiva: independiente del 
tamaño o masa del sistema. No son 
aditivas 
¡  Extensivas: sí dependen del tamaño 
(volumen, etc.), aditivas. 
Cantidades específicas: no dependen del tamaño del sistema 
Ejemplos 
Sistema Intensiva Extensiva 
Fluidos y sólidos Presión Volumen 
Sustancia 
Paramagnética 
Intensidad de 
campo magnético 
 
Magnetización 
Cable 
 
Tensión 
 
Longitud 
 
Dieléctrico 
 
Campo eléctrico 
 
Polarización 
Definiciones 
Valores especificos y: 
 variable extensiva Y/ otra extensiva (V) 
Valor molal y*: 
variable extensiva/número de moles ν 
M Peso Molecular (peso de un mol) 
1 gramo-mol=una masa en gramos igual al peso 
molecular de la sustancia 
MyM
m
YYy
ρν
===*
densidad vV
m 1
==ρ
Cantidad molales: intensivas 
Ley cero de la Termodinámica 
¡  Si de tres sistemas A, B y C , A y B se 
encuentran separadamente en equilibrio 
con C, entonces A y B se encuentran en 
equilibrio uno con el otro. 
),( YXϕϕ =
Generaliza a n variables 
Define temperatura (grado de calentamiento) 
Existe una función de las variables independientes 
(Ecuación de estado, forma analítica depende 
del sistema) 
B 
C
A
Ley Cero: 
A y C, B y C en eq. àA y B en eq. 
A B
C
Pared aislante 
Pared diatérmica 
Temperatura 
¡  Temperatura empírica: variable cuyo 
valor numérico establece cuándo dos o 
más sistemas, en contacto térmico entre 
sí, se encuentran o no en equilibrio. 
¡  Valor numérico de ϕ(X,Y) para todos los 
sistemas en equilibrio uno con otro. 
¡  Termómetro: sistema estándar para 
medir temperatura. 
Isotermas 
X 
Y 
X 
Y 
(X’1,Y’1) 
Sistema S1 Sistema S2 
(X’2,Y’2) 
Isoterma I I’ 
Estados de S1 en equilibrio con estado de S2 
I e I’ son isotermas correspondientes 
Termómetro: sistema estándar 
Sistema 
(interacción con otros 
sistemas) 
Variables termodinámicas 
X,Y 
• Cambio de las propiedades 
físicas (2) del termómetro 
cuando entra en contacto 
con otros sistemas 
• Propiedad termométrica X: 
varía (Y=cte) 
• Definir escala 
 se fija ecuación de estado ϕ(X,Y) 
Temperatura θ(X): 
Depende de cada 
termómetro 
Temperatura empírica 
X 
Y 
X 
θ 
Sistema Escala 
Isotermas 
Estados de S1 en equilibrio con estado de S2 
Enumeración arbitraria: empírica 
Forma simple : lineal 
θ1 
θ2 
Y=cte θ 
θ=aX 
θ1 θ 2 
Y = cte 
Escala: determinar pendiente a 
¡  Fijar estado estándar fácilmente 
reproducible e invariante (punto 
fijo). Se asigna un valor arbitrario θ 
¡  Punto fijo: punto triple del agua 
¡  θ = 273.16 K escala Kelvin 
a= 273.16/Xt X en punto triple 
 
θ = 273.16 X/Xt 
 
Bibliografía 
¡  Introducción a laTermodinámica 
clásica, L. García-Colín S. 
¡  Heat and Thermodynamics, W. 
Zemansky 
¡  Statistical Mechanics, K. Huang.