A la hora de estudiar el mundo físico,
suele delimitarse una porción del mismo
a la que se denomina "Sistema",
sobre la cuál fija su atención el investigador.
Cada ciencia particular, adopta y modela el tipo de sistema
que mejor se adecue a su estructura y método.
En muchos casos el sistema consta de un número muy grande de entidades,
tales como átomos y moléculas, lo cuál a efectos metodológicos,
permite adoptar dos modalidades descriptivas.
Una de ellas consiste en considerar al conjunto como un todo,
con lo cuál estamos ante una descripción macroscópica,
en la que el comportamiento de cada individuo se desdibuja
para fundirse en una entidad colectiva.
La otra opción posible supone estudiar la conducta
de cada uno de los constituyentes del sistema,
y es lo que se conoce como descripción microscópica.
Se puede establecer un paralelismo entre los tipos de descripción
macroscópica, microscópica y el comportamiento social.
A tal efecto, imaginemos un país constituido
por varios millones de personas.
Una descripción microscópica
consistiría en conocer y cuantificar el comportamiento y opiniones
de cada uno de los habitantes,
y deducir así, cual es la situación del sistema.
Por el contrario, la descripción macroscópica
supone determinar el valor de unos pocos parámetros globales
inherentes al sistema.
Así, el número de parlamentarios de cada formación política
constituye un conjunto de parámetros que especifican con precisión
la situación o estado del sistema.
La termodinámica, recurre a un tipo de descripción macroscópica
que omite toda consideración acerca de la estructura atómico-molecular
del sistema y de su geometría.
Si esta misma combustión la estudiáramos a nivel microscópico,
se debería conocer la posición y movimiento
de cada partícula del sistema.
Por consiguiente, el científico que estudia un sistema
desde el punto de vista termodinámico,
maneja parámetros a los que se denominan "propiedades de estado",
del mismo modo, que un analista político
efectúa recuentos del número de diputados
cuando está en juego la formación de Gobierno o la aprobación de una ley.
Cada sistema termodinámico
tiene un número fijo de propiedades de estado independientes.
Llevado al símil político,
equivaldría decir que para nuestro imaginario país,
el número de grupos parlamentarios es necesariamente fijo.
Por consiguiente, la composición de cada uno de los mencionados grupos,
constituyen los parámetros que determinan la situación política.
Al trasladar estas reflexiones a un sistema termodinámico,
se afirma que el estado de tal sistema se define
al especificar los valores de un número reducido de propiedades.
A tales magnitudes se les denomina: "variables de estado"
Imaginemos un émbolo en cuyo interior se confina cierto gas,
su descripción termodinámica se puede hacer de modo satisfactorio
sin más que especificar el volumen y la presión.
Más aún, es un hecho bien conocido que para gases y fluidos simples,
su estado termodinámico viene definido por solo dos variables.
Según esto, considerados los fluidos como un país ficticio,
diríamos que su Parlamento debe ser necesariamente bipartidista.
Se da el nombre de "número de grados de libertad",
al de variables de un sistema que pueden modificarse
al antojo del experimentador.
Tal número es fijo para cada sistema,
aunque la elección de las variables es arbitraría.
Razonando sobre el ejemplo parlamentario,
equivale a decir que se fija el número de grupos
que constituyen la Cámara,
aunque su naturaleza y número quedan en manos del electorado.
El estudio de un sistema termodinámico se lleva a cabo
de acuerdo con unas pocas reglas de juego,
que son la base de cualquier formulación matemática posterior.
Los sistemas físicos
son susceptibles de interactuar con el medio que los rodea,
originándose así, cambios en su propio estado.
Es decir, para cualquier sistema no aislado
que alcanza una situación estable de coexistencia con su entorno,
toda modificación de este,
puede plasmarse en un cambio en el valor de los parámetros de estado.
La terminología termodinámica adopta el nombre de "aislados"
para los sistemas cuyas variables de estado permanecen inalteradas,
aún cuando se modifique la situación del mundo físico
en contacto inmediato con él.
Por el contrario, cuando un sistema es "no aislado"
no ignora lo que ocurre fuera de sus limites
y se dice que interacciona con el exterior.
Habitualmente en un mismo experimento
se ponen de manifiesto tipos de interacción diferentes.
Si consideramos como sistema una disolución acuosa de cloruro sódico,
es posible transmitirle energía al calentar mediante un mechero.
Por otra parte, es posible hacer que circule la corriente eléctrica
a través de la disolución.
El paso de corriente viene acompañado por un campo magnético
que se manifiesta en el movimiento de una aguja imantada.
Así mismo, la circulación de cargas eléctricas en la disolución
provoca reacciones electrolíticas,
en las que intervienen las especies químicas presentes.
En este sencillo experimento podemos observar a simple vista,
el acoplamiento de dos de los efectos mencionados,
calentamiento en la parte inferior del sistema
y reacción química en la parte superior.
Las interacciones que puede sufrir un sistema son de varios tipos.
En primer lugar puede citarse la interacción mecánica.
Consiste en un efecto, manifestado por variaciones de presión,
que tiende a deformar al sistema
y modificar la porción de espacio que ocupa.
Otro tipo de interacción es la electromagnética.
Tiene su origen en la existencia de cargas eléctricas y dipolos
como constituyentes microscópicos de un sistema,
su efecto se manifiesta al aplicar campos electromagnéticos
sin necesidad de que exista un medio material
entre los sistemas interactuantes.
Así mismo, existe la interacción química.
Requiere siempre del contacto material
entre especies químicas diferentes,
con una determinada afinidad o tendencia
para combinarse y dar lugar a nuevas sustancias,
como sucede con el acido sulfúrico y el azúcar.
El cuarto tipo de interacción
se manifiesta en las sensaciones de calor y frío,
y dio origen a la ciencia que se conoce como Termodinámica.
Se la denomina interacción térmica.
Las sustancias provocan sensación fisiológica distinta,
dependiendo de que estén frías o calientes.
Al tocar una plancha antes de conectarla a la red eléctrica,
se percibe una sensación completamente distinta
de la que se tendrá al cabo de un rato de funcionamiento.
Es obvio por tanto que el estado del sistema "plancha"
ha sufrido alguna modificación.
Obsérvese un aspecto importante,
la interacción se realiza a través de un contacto,
al que se denomina "contacto térmico",
que no conlleva necesariamente deformación del sistema.
Es probable que si se formulara la pregunta
¿cuándo deja usted de sentir el objeto que toca?
La respuesta fuese,
cuando esté igual de caliente que mi mano.
En tal afirmación se prejuzga que la interacción térmica
deja de manifestarse cuando se igualan determinadas situaciones
de los sistemas en contacto.
Tal es lo que se conoce por "equilibrio térmico".
Para establecer un ejemplo de contacto y equilibrio térmicos,
puede considerarse el experimento siguiente,
un émbolo que contiene gas se sumerge en un baño con agua en ebullición,
al fijar el volumen del gas
la otra variable que determina su estado termodinámico es la presión.
El manómetro va proporcionando distintas lecturas
que varían a lo largo del tiempo hasta alcanzar un valor estable.
Se puede fijar por consiguiente un punto en el diagrama "VP"
que representa un estado de equilibrio del gas
en contacto térmico con otro sistema.
Al repetir el experimento,
para valores diferentes del volumen que confina el émbolo,
se puede concluir que existe una cierta función
que relaciona entre sí, a la presión y al volumen.
Su representación gráfica,
es el lugar geométrico de los estados de equilibrio
compatibles con la situación de contacto térmico enunciada.
Si ahora, alcanzado el sistema de equilibrio por el gas
para un volumen dado,
se extrae el émbolo del baño de agua en ebullición,
y se introduce en otro que contiene hielo fundente,
se observa un cambio del estado termodinámico del gas.
Estamos ante un ejemplo obvio de interacción térmica,
que tiene como desenlace
la consecución de un nuevo estado de equilibrio,
lo que se manifiesta por un cambio de la presión del gas.
Al modificar en ocasiones sucesivas el volumen,
y anotar las respectivas presiones de equilibrio
sin modificar el contacto con el medio,
se deduce la existencia de una nueva relación funcional
entre presión y volumen.
Las gráficas que se obtienen poseen un significado matemático claro,
la presión es una función del volumen y de un parámetro que depende
del entorno con el que está en equilibrio térmico el sistema.
Si el émbolo se protege del contacto con el líquido que lo rodea,
mediante cualquier material de los que se conocen como aislantes,
se impide cualquier interacción entre el gas "sistema",
y el agua del baño exterior,
como se pone de manifiesto al calentar esta última.
El aislamiento supone, que ahora el estado del sistema
no varía al modificar las condiciones de su entorno,
en otras palabras, no se produce contacto térmico.
Al no darse contacto térmico
el sistema conserva el parámetro "Theta(2)",
que había adquirido
durante la anterior etapa de contacto térmico con el medio.
Llegados a esta evidencia experimental
es posible extraer una conclusión ya intuida en la vida cotidiana.
Existe al menos una propiedad del sistema,
cuyo valor numérico depende del estado del entorno
en contacto térmico con el sistema,
una vez se alcanza el equilibrio térmico.
Para poner de manifiesto
algunas propiedades formales del equilibrio térmico,
podemos volver a nuestros experimentos.
Se introducen muestras exactamente iguales
de un mismo gas en sendos émbolos,
y se sumergen en dos baños,
uno conteniendo hielo fundente y otro con agua en ebullición,
después de un tiempo, suficientemente largo,
se extraen los émbolos y se rodean de aislante,
de tal modo que se impida el contacto entre ellos y con el exterior.
Fijado el volumen,
la correspondiente presión de equilibrio
se puede leer en el manómetro una vez se haga estable la medida.
La situación de aislamiento
implica que ambos sistemas se ignoran mutuamente.
Así obtenemos curvas análogas, aunque no coincidentes,
con las que se trazaron en los procesos anteriores.
Se modifica la situación al eliminar el aislamiento entre los dos gases,
aunque se mantiene el conjunto aislado del exterior.
Al cabo de un tiempo, suficientemente dilatado,
se alcanza una nueva situación de equilibrio común para ambos sistemas,
e intermedia entre las que correspondían
a cada uno de ellos bajo condiciones de aislamiento.
Si se generaliza este resultado,
se puede concluir que dos sistemas aislados y en equilibrio,
al ponerse en contacto para formar un sistema aislado en su conjunto,
evolucionan de forma espontánea a una nueva situación de equilibrio.
A esto lo denominamos "equilibrio térmico"
Continuando con nuestros experimentos,
diseñamos un aparato de acuerdo con un nuevo esquema.
Un recipiente rodeado de material aislante
se llena de un fluido arbitrario,
inmerso en él se coloca una resistencia eléctrica
que sirve para calentar el sistema,
una vez conectado el interruptor del circuito de calefacción.
A este fluido,
considerado como sistema termodinámico se le denomina "S(0)"
También inmerso en el fluido existe un émbolo que contiene un gas,
y que está provisto de un aparato medidor de presión.
El gas constituye el sistema "S(1)",
en contacto térmico con el sistema "S(0)",
y juntos constituyen un conjunto aislado del exterior
y en equilibrio térmico.
Ahora, se introduce en el baño una resistencia eléctrica
a la que se considera como sistema termodinámico "S(2)",
y cuyo estado viene caracterizado por las medidas de resistencia efectuadas
en un Puente de Wheatstone.
Cuando entra en funcionamiento el circuito de calefacción,
se provoca el cambio de estado del sistema "S(0)".
Proceso que deja de tener lugar al desconectar de nuevo el interruptor.
Una vez ha cesado la calefacción,
se deja que el conjunto alcance el equilibrio.
Es obvio constatar que en tal circunstancia
existe equilibrio térmico entre los sistemas "S(0)" y "S(2)",
viniendo definido el estado termodinámico de este último
por la variable resistencia.
Medida esta con un Puente de Wheatstone,
la estabilización de las lecturas nos brinda una condición necesaria
para concluir que se alcanza el equilibrio.
Puesto que "R" es la única variable de estado
que consideramos para el sistema "S(2)",
la representación gráfica de sus estados de equilibrio
se hace sobre una recta.
Observemos ahora el gas contenido en el émbolo, denominado sistema "S(1)",
que se encuentra en equilibrio térmico con "S(0)".
Se puede fijar arbitrariamente el volumen del gas
y determinar la presión cuando se alcance el equilibrio,
se obtiene así una representación gráfica de los estados del gas
en equilibrio térmico con el fluido "S(0)".
Para estudiar el equilibrio térmico entre el gas y la resistencia,
sistemas "S(1)" y "S(2)",
es preciso establecer contacto directo
entre la resistencia y el gas,
y aguardar a que se alcance el equilibrio.
Fijado el volumen del gas, es posible medir la presión en el manómetro,
así como la resistencia mediante el Puente de Wheatstone.
Los estados de ambos sistemas compatibles en equilibrio térmico,
son los que se representan en la gráfica.
Al recordar el diagrama obtenido cuando tenían lugar los equilibrios
"S(0)-S(1)" y "S(0)-S(2)", se deduce de forma inmediata,
que tal diagrama y el correspondiente al equilibrio "S(1)-S(2)",
no son independientes, ya que este último se deriva de aquel.
Se concluye que,
cuando dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero,
están necesariamente en equilibrio térmico entre sí.
Al modificar el estado del sistema "S(0)"
se produce un cambio de las variables de estado
de los sistemas "S(1)" y "S(2)",
una vez que se ha alcanzado la nueva situación de equilibrio.
La representación gráfica esquematiza el lugar geométrico
de los posibles estados de los sistemas "S(1)" y "S(2)",
en todas las posibles situaciones de equilibrio térmico.
La superficie mostrada satisfará una ecuación genérica,
por lo que se concluye que,
las variables de estado de los dos sistemas en equilibrio térmico
están relacionadas a través de una ecuación.
La generalización de este aserto a sistemas cualesquiera,
se hace de acuerdo con este esquema.
La termodinámica recoge conclusiones extraídas
de experimentos y observaciones del mundo real,
y las generaliza para cualquier sistema
bajo la forma de un principio al que se denomina
"Principio Cero de la Termodinámica",
y que puede enunciarse del modo siguiente:
Si dos sistemas termodinámicos están en equilibrio térmico con un tercero,
lo están necesariamente entre sí.
Dados dos sistemas, la existencia del equilibrio térmico entre ellos,
implica la existencia de una relación funcional única
entre las variables de estado de ambos.
Mediante las técnicas del análisis matemático
se demuestra que es posible efectuar
una separación de las variables de estado.
Asimismo, es posible razonar del modo siguiente:
considerados individualmente cada uno de los sistemas,
las variables de estado explicitadas constituyen en ambos,
un conjunto de variables de estado independientes.
Cualquier otra función de estado puede expresarse
como función matemática de las variables independientes,
de tal modo que la función "F(a)"
da lugar a cierta propiedad termodinámica del sistema "A",
y análogamente para la función "F(b)" del sistema "B".
El requisito de equilibrio térmico recogido en el Principio Cero,
exige que exista igualdad en el valor numérico de cierta variable de estado
de los sistemas en equilibrio.
La conclusión a la que se llega es, existe una variable de estado
que posee el mismo valor en todos los sistemas en equilibrio térmico,
a tal variable de estado se le da el nombre de "Temperatura".