Instrumentos termodinámicos
Un instrumento termodinámico es cualquier dispositivo para la medición de sistemas termodinámicos. Para que un parámetro termodinámico o cantidad física esté verdaderamente definido, se debe especificar una técnica para su medición. Por ejemplo, la definición definitiva de temperatura es "lo que lee un termómetro". La pregunta que surge es: ¿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.
Descripción general
Dos herramientas generales complementarias 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 intenta medir. Si, por ejemplo, un termómetro actuara como 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
Un metro es un sistema termodinámico que muestra algún aspecto de su estado termodinámico al observador. La naturaleza de su contacto con el sistema que se 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 precisamente uno de esos medidores.
En algunos casos, el parámetro termodinámico en realidad se define 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 lo están entre sí. Este principio, como lo 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, también se puede construir un dispositivo para medir la presión llamado barómetro 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 - un dispositivo que mide presión, sobre todo la presión atmosférica. Un barómetro de gas ideal se puede construir mediante la conexión mecánica de un gas ideal al sistema que se mide, mientras que la aislante térmicamente. El volumen medirá la presión, por la ecuación de gas ideal P=NkT/V.
- Calorómetro - un dispositivo que mide la energía térmica agregada a un sistema. Un calórico simple es simplemente un termómetro conectado a un sistema aislado térmicamente.
Depósitos termodinámicos
Un depósito es un sistema termodinámico que controla el estado de un sistema, generalmente "imponiendo" 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 apreciablemente afectado por el estado del sistema que se controla. El término "presión atmosférica" En la siguiente descripción, un termómetro teórico es esencialmente un "depósito de presión" que impone presión atmosférica sobre el termómetro.
Algunos reservorios comunes son:
- reservorio de presión - por lejos el reservorio de presión más común es la atmósfera de la Tierra.
- Embalse de temperatura - Una gran cantidad de agua en su punto triple forma un depósito de temperatura eficaz.
Teoría
Supongamos que entendemos la mecánica lo suficientemente bien como para comprender y medir el volumen, el área, la masa y la fuerza. Estos se pueden combinar 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), < i>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 a que se equilibre y luego medimos el volumen del termómetro, podremos calcular la temperatura del sistema en cuestión mediante T= PV/Nk. Con suerte, el termómetro será lo suficientemente pequeño como para no alterar apreciablemente la temperatura del sistema que está midiendo y también para 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 está aislado dinámica y materialmente de él. Al mismo tiempo está conectado dinámicamente a un depósito de presión externo, del que está aislado material y térmicamente. Ahora se pueden construir y calibrar otros termómetros (por ejemplo, termómetros de mercurio, que muestran el volumen de mercurio al observador) con respecto al termómetro de gas ideal.