Propiedades Termodinámicas: Definición, tipos y ejemplos

¿Qué son las propiedades termodinámicas?

Las propiedades termodinámicas son características de un sistema físico que definen su estado. Las propiedades de los sistemas termodinámicos proporcionan una comprensión del comportamiento de un sistema en presencia de condiciones conocidas. La materia de termodinámica es necesaria para comprender y generalizar las propiedades de la materia en masa, ya que es imposible seguir cada detalle del movimiento de cada partícula en un sistema de una gran cantidad de partículas. El estado de un sistema termodinámico se define por su condición actual y el conjunto de sus propiedades termodinámicas, como temperatura, presión, volumen, energía interna y entropía del sistema. Una propiedad termodinámica es un parámetro que describe un sistema termodinámico y puede ser una propiedad intensiva o extensiva. El hecho de que una propiedad termodinámica sea intensiva o extensiva depende de la variable termodinámica y su dependencia del tamaño o cantidad de material en un sistema bajo consideración. Son necesarios varios valores termodinámicos y constantes termodinámicas para describir las relaciones termodinámicas presentes en un sistema. El papel que desempeñan las propiedades termodinámicas en un sistema proporciona información sobre muchas aplicaciones.

Valores termodinámicos y constantes

Los valores y constantes termodinámicos son fundamentales para determinar las relaciones físicas presentes en un sistema termodinámico. Se requieren varios valores y constantes para expresar adecuadamente las propiedades termodinámicas, incluido el número de Avogadro, la constante de Boltzmann y la constante de los gases. El número de Avogadro es

N_A = 6,02 x 10²³.

El número de Avogadro es útil para determinar la cantidad de moléculas presentes en una sustancia. Es un número que expresa un mol de moléculas. La constante de Boltzmann es

k = 1,381 x 10^-23 J.K.

La constante de Boltzmann se utiliza en la ley de los gases ideales, que expresa la relación entre presión, volumen, temperatura y número de moléculas en un sistema termodinámico. La constante de Boltzmann surge del vínculo entre el comportamiento estadístico de un sistema de muchas partículas y el comportamiento macroscópico emergente de esas partículas constituyentes. La constante de los gases R es una constante universal que proporciona una forma alternativa de expresar la ley de los gases ideales y es

R = 8,31 J}{mol \cdot K}.

La ley de los gases ideales se puede expresar como

PV = NkT

o

PV = nRT,

donde P es la presión, V es el volumen, n es el número de moles de gas y T es la temperatura.

Tipos de propiedades termodinámicas

Las propiedades termodinámicas de un material se pueden clasificar en tres categorías principales: propiedades medidas, propiedades fundamentales y propiedades derivadas. Las propiedades medidas de un sistema pueden comprender variables como temperatura, presión, volumen, masa o capacidad calorífica específica. Las propiedades medidas de un sistema se pueden obtener directamente a partir de la observación experimental. Las propiedades fundamentales de un sistema termodinámico pueden incluir variables como energía interna, entalpía, entropía, energía libre de Helmholtz o energía libre de Gibbs. Las propiedades fundamentales de un sistema no se pueden reducir y son inherentes a un sistema. Se utilizan para componer y expresar propiedades adicionales de un sistema termodinámico. Las propiedades derivadas de un sistema pueden ser volumen específico, densidad, entalpía específica, entropía específica o capacidad calorífica. Las propiedades derivadas son útiles para cuantificar un sistema de determinadas maneras y se componen de propiedades fundamentales y medidas. Las categorías de propiedades termodinámicas pueden ser intensivas o extensivas.

Propiedades intensivas

Las propiedades termodinámicas intensivas son propiedades que son independientes del tamaño o masa de un sistema. En otras palabras, estas propiedades son constantes ante los cambios que ocurren en un sistema debido a su tamaño o masa. Las propiedades intensivas son útiles para caracterizar el estado de un sistema debido a su independencia de la cantidad de sustancia presente en el sistema, su localidad y uniformidad, es decir, las propiedades permanecen iguales en cualquier lugar de un sistema homogéneo y son intrínsecas al sistema. Algunos ejemplos de propiedades intensivas son la temperatura, la presión, el potencial químico, la densidad, la capacidad calorífica específica o el punto de fusión y ebullición de un material o sustancia.

Propiedades extensas

Las propiedades extensivas son propiedades de un sistema termodinámico que dependen del tamaño o la masa de un sistema. Como tales, estas propiedades son aditivas y expresan una suma de valores para un sistema compuesto. Las propiedades extensivas aumentan con la cantidad, es decir, agregar o eliminar sustancia a un sistema termodinámico aumenta la propiedad asociada linealmente. Algunos ejemplos de propiedades extensivas son la masa, el volumen, el número de moléculas, la energía interna, la entalpía, la entropía y la energía total de un sistema.

¿Qué son las propiedades específicas?

Las propiedades específicas de un sistema termodinámico son propiedades intensivas que se expresan por unidad de cantidad. Cuantificar propiedades específicas de un sistema es un método para normalizar propiedades intensivas para describir cualidades inherentes del sistema de una manera independiente de la cantidad de sustancia presente. Las propiedades extensivas del sistema se dividen por la cantidad de sustancia presente para obtener propiedades específicas. Algunos ejemplos de propiedades específicas son el volumen específico, la entalpía específica, la energía interna específica, la entropía específica y la capacidad calorífica específica.

Aplicaciones de las propiedades termodinámicas

La termodinámica y las propiedades termodinámicas se pueden aplicar a diversas áreas, como la química, la biología, la geología, la meteorología, las ciencias ambientales, la ingeniería, la física de bajas temperaturas, la física del estado sólido, la astrofísica y la cosmología. Las propiedades termodinámicas son necesarias para comprender procesos químicos como reacciones químicas o transiciones de fase de sustancias. Se utilizan para comprender los procesos celulares, incluida la cinética enzimática o el plegamiento de proteínas. Diseñar y optimizar la generación de energía geotérmica u otras fuentes de energía renovables implica una comprensión intensiva de las propiedades termodinámicas. Las propiedades termodinámicas también son vitales para modelar el clima y describir procesos atmosféricos. También se aplican ampliamente a la caracterización de materiales. Estas son sólo algunas aplicaciones de las propiedades termodinámicas, pero hay un gran número, lo que demuestra su papel vital a la hora de proporcionar una comprensión del mundo físico.

Resumen de la lección

Las propiedades termodinámicas de un sistema termodinámico generalizan el estado actual y el comportamiento del sistema. Las propiedades termodinámicas incluyen propiedades intensivas que son independientes del tamaño o cantidad del sistema, como la temperatura y la presión. También incluyen amplias propiedades que dependen del tamaño o cantidad del sistema, como masa y volumen. Comprender las propiedades intensivas brinda la capacidad de comparar el comportamiento de una sustancia independientemente de la cantidad presente, mientras que comprender las propiedades extensivas brinda la capacidad de comparar procesos que implican combinar o separar sustancias. Los valores termodinámicos y las constantes termodinámicas proporcionan los vínculos necesarios para generalizar con precisión las propiedades termodinámicas de los sistemas. La comprensión de las propiedades termodinámicas afecta una amplia gama de aplicaciones para mejorar y desarrollar tecnologías, así como para modelar sistemas físicos.