Los Fundamentos: La Termodinámica - Los principios

PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA
Frecuentemente, el lenguaje de las ciencias empíricas se apropia del vocabulario de la vida diaria. Así, aunque el término temperatura parece evidente para el sentido común, su significado adolece de la imprecisión del lenguaje no matemático. El llamado principio cero de la termodinámica, que se explica a continuación, proporciona una definición precisa, aunque empírica, de la temperatura.

Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Esta ropiedad compartida en el equilibrio es la temperatura.
Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito que se encuentra a una temperatura determinada, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste. (El llamado entorno infinito es una abstracción matemática denominada depósito térmico; en realidad basta con que el entorno sea grande en relación con el sistema estudiado.)

La temperatura se mide con dispositivos llamados termómetros. Un termómetro se construye a partir de una sustancia con estados fácilmente identificables y reproducibles, por ejemplo el agua pura y sus puntos de ebullición y congelación en condiciones normales. Si se traza una escala graduada entre dos de estos estados, la temperatura de cualquier sistema se puede determinar poniéndolo en contacto térmico con el termómetro, siempre que el sistema sea grande en relación con el termómetro.

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
La primera ley de la termodinámica da una definición precisa del calor, otro concepto de uso corriente.
Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos. Para explicar este fenómeno, los científicos del siglo XVIII conjeturaron que una sustancia que estaba presente en mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura fluía hacia el cuerpo de menor temperatura. Según se creía, esta sustancia hipotética llamada calórico era un fluido capaz de atravesar los medios materiales.

Por el contrario, el primer principio de la termodinámica identifica el calórico, o calor, como una forma de energía. Se puede convertir en trabajo mecánico y almacenarse, pero no es una sustancia material. Experimentalmente se demostró que el calor, que originalmente se medía en unidades llamadas calorías, y el trabajo o energía, medidos en julios, eran completamente equivalentes. Una caloría equivale a 4,186 julios.

El primer principio es una ley de conservación de la energía. Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse dejando a un lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia entre masa y energía la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí.

En cualquier máquina, hace falta cierta cantidad de energía para producir trabajo; es imposible que una máquina realice trabajo sin necesidad de energía. Una máquina hipotética de estas características se denomina móvil perpetuo de primera especie. La ley de conservación de la energía descarta que se pueda inventar nunca una máquina así. A veces, el primer principio se enuncia como la imposibilidad de la existencia de un móvil perpetuo de primera especie.

La segunda ley de la termodinámica da una definición precisa de una propiedad llamada entropía. La entropía se puede considerar como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también se puede considerar como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema.

La segunda ley afirma que la entropía, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. La naturaleza parece pues preferir el desorden y el caos. Se puede demostrar que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja a una región de temperatura más alta.

El segundo principio impone una condición adicional a los procesos termodinámicos. No basta con que se conserve la energía y cumplan así el primer principio. Una máquina que realizara trabajo violando el segundo principio se denomina móvil perpetuo de segunda especie, ya que podría obtener energía continuamente de un entorno frío para realizar trabajo en un entorno caliente sin coste alguno. A veces, el segundo principio se formula como una afirmación que descarta la existencia de un móvil perpetuo de segunda especie.

TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

El segundo principio sugiere la existencia de una escala de temperatura absoluta con un cero absoluto de temperatura. El tercer principio de la termodinámica afirma que el cero absoluto no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él.

Iodamina: Un Explosivo Que Mancha!

Materiales:
cristales de yodo
amoniaco concentrado
yoduro de potasio
embudo
filtro de papel
varilla de vidrio

Procedimiento: 

1) Colocá 5g de yodo en un frasco.Como el yodo es dificl de quitar usá recipientes que  se puedan descartar.

2) Añadir amoniaco hasta que cubra el yodo y luego añadir 5 g de yoduro de potasio. Revolver por 30 segundos. Dejar los cristales remojados por 30 minutos.

3) Colocar el embudo en otro frasco y poner el filtro en el embudo.

4) Echar todo por el embudo y dejar que escurra.

5) Ir recogiendo los cristales, sin tocar el filtro y colocarlos encima de un papel y dejar secar fuera de cualquier fuente de calor (incluida la luz). Mientras esten humedos, dividirlos en partes mas pequeñas.

Explicación:

La síntesis implica la siguiente reacción.

Los compuestos formados son muy inestables, pudiéndose descomponer con la aplicación de una pequeña cantidad de energía, como por ejemplo por golpes o por calor. Se libera iodo, amoníaco y nitrógeno.

Los Fundamentos: Teoría Atómica - Iones, Isótopos y Electrones

En el post anterior aprendimos sobre la estructura básica del átomo. Normalmente, los átomos contienen un número igual de protones y de electrones. Ya que las cargas negativas y positivas se neutralizan, los átomos son eléctricamente neutrales.

Iones

Cuando el número de electrones cambia en un átomo, la carga eléctrica también cambia. Si un átomo adquiere electrones, recoge un desproporcionado número de partículas cargadas negativamente y, de esta manera, se convierte en negativo. Si un átomo pierde electrones, el balance entre las cargas positivas y negativas cambia en la dirección opuesta y el átomo se convierte en positivo. En cualquier caso, la magnitud (+1, +2, -1, -2, etc.) de la carga eléctrica corresponderá al número de electrones adquiridos o perdidos. Los átomos que contienen cargas eléctricas son denominados iones (independientemente que ellos sean positivos o negativos). La carga eléctrica en el ión siempre se debe escribir después del simbolo del átomo en forma de un superíndice.

Isótopos

El número de neutrones en cualquier átomo también puede variar. Dos átomos de un mismo elemento que contienen un número diferente de neutrones se denominan isótopos. Por ejemplo, normalmente el hidrógeno no contiene neutrones. Sin embargo, existe un isótopo del hidrógeno que contiene 1 neutrón (comúnmente llamado deuterio). El número atómico (z) es el mismo en ambos isótopos, pero la masa atómica aumenta uno en el deuterio, a medida que el átomo se vuelve más pesado por el neutrón de más.

Envoltura de Electrones

La visión del átomo de Ernest Rutherford consistía de un núcleo denso rodeado de electrones girando libremente. En 1913, el físico danés Niels Bohr propuso otra modificación a la teoría de la estructura atómica basada en un curioso fenómeno llamado la línea espectral.

Cuando se calienta la materia, ella produce luz. Por ejemplo, encender una bombilla produce el flujo de una corriente eléctrica a través de un filamento de metal que calienta el filamento y produce luz. La energía absorbida por el filamento anima los electrones del átomo lo cual los induce a ‘menearse’. Esta energía absorbida se libera eventualmente del átomo bajo la forma de luz.

Cuando la luz blanca normal, tal como la del sol, atraviesa un prisma, la luz se convierte en un continuo espectro de colores separados:

Bohr sabía que cuando se anima a los elementos puros con luz o electricidad, ellos producen colores definidos en vez de luz blanca. Comunmente se puede apreciar este fenómeno en las luces de neón de nuestros días. Las luces de neón son tubos llenos de elementos gaseosos (generalmente neón). Cuando una corriente eléctrica atraviesa el gas, el elemento produce un color definido (generalmente rojo). Cuando una luz de un elemento animado atraviesa un prisma, sólo se puede ver líneas específicas (u ondas) de luz. A estas delgadas líneas se las llama líneas espectrales. Por ejemplo, cuando se calienta el hidrógeno y la luz atraviesa un prisma, se puede ver la siguiente línea espectral:

Para Bohr, el fenómeno de la línea espectral demostró que los átomos no podían emitir energía de manera continua, sino sólo en cantidades muy precisas (el describió la energía emitida como cuántica). Ya que el movimiento de electrones producía la luz emitida, Bohr sugirió que los electrones no podían moverse continuamente en el átomo (tal como sugirió Rutherford), pero sólo a pasos muy precisos. Bohr supuso que los electrones tienen niveles de energía específicos. Cuando se anima un átomo, como al calentarlo, los electrones pueden saltar a niveles más altos. Cuando los electrones caen a niveles de energía más bajos, se liberan cuantos de energía precisos en la forma de ondas (líneas) de luz específicas.

Según la teoría de Bohr, se puede imaginar a los niveles de energía de los electrones (también llamados envolturas de electrones) tal como círculos concéntricos alrededor del núcleo. Normalmente, los electrones existen en el estado de base, lo cual quiere decir que ellos ocupan los niveles de energía posibles más bajos (la envoltura de electrones más cerca al núcleo). Cuando se anima un electrón, como cuando se introduce energía (por ejemplo, calor) al sistema, el electrón ’salta’ a un nivel de energía más alto, y gira en ese nivel de energía más alto. Después de un corto tiempo, este electrón va a ‘caerse’ espontáneamente al nivel de energía más bajo, produciendo una energía de luz cuántica. La clave en la teoría de Bohr está en el hecho de que el electrón sólo puede ’saltar’ y ‘caerse’ a niveles precisos de energía, emitiendo así un espectro de luz limitado.

Transición de un electrón de una órbita de mayor energía a una de menor energía con emisión de un fotón.

Adiós a las vacaciones…

Mañana empiezan las clases… Ufa!

Pero bueno, en realidad hay exámenes previos y libres… les deseo mucha suerte.