CC1 — Conceptos Fundamentales

📋 Temas que cubre

Sistema y entorno: fronteras diatérmicas, adiabáticas, rígidas y permeables
Estado termodinámico: variables de estado extensivas ( $U$ , $V$ , $N$ ) e intensivas ( $T$ , $p$ , $μ$ )
Equilibrio termodinámico: condiciones de equilibrio térmico, mecánico y químico
Procesos cuasi-estáticos: sucesión de estados de equilibrio
Calor y trabajo: formas de intercambiar energía — diferencia fundamental
Primer principio: $Δ U = Q + W$ (convención de signos y su significado)

💡 Conceptos clave

Variables de estado

Describen completamente el estado de equilibrio: $T$ , $p$ , $V$ , $N$ , $U$ , $S$ . No dependen de cómo llegó el sistema al estado — dependen solo del estado actual. Calor $Q$ y trabajo $W$ no son variables de estado: dependen del proceso.

Equilibrio termodinámico

El sistema está en equilibrio cuando sus variables macroscópicas no cambian con el tiempo. Requiere: equilibrio térmico ( $T$ uniforme), mecánico ( $p$ uniforme) y químico ( $μ$ uniforme). La termodinámica describe solo estados de equilibrio.

Proceso cuasi-estático

Secuencia de estados de equilibrio, ejecutada infinitamente lenta. Es el proceso ideal reversible: puede recorrerse en ambas direcciones. Los procesos reales son irreversibles y generan entropía. Los cuasi-estáticos son el límite teórico de mayor eficiencia.

Calor vs. Trabajo

Ambos son formas de transferir energía, pero cualitativamente distintas: el trabajo transfiere energía en forma organizada (macroscópicamente coordinada); el calor lo hace en forma desorganizada (microscópicamente aleatoria). Solo el trabajo es completamente convertible.

📐 Fórmulas fundamentales

Primer principio de la termodinámica

Q > 0

: el sistema absorbe calor.

W > 0

: el entorno realiza trabajo sobre el sistema (convención de la física — en química se usa

W = - p Δ V

con signo contrario).

U

es función de estado;

Q

W

no lo son.

Trabajo de presión-volumen

Para proceso cuasi-estático. El trabajo es el área bajo la curva en el diagrama

p

V

. Su valor depende del camino (no es diferencial exacto):

\bar{δ} W = - p d V

Condiciones de equilibrio entre dos sistemas

Equilibrio térmico (frontera diatérmica), mecánico (frontera móvil) y químico (frontera permeable) respectivamente. La variable que se iguala está conjugada a la variable extensiva que puede intercambiarse.

🎯 Qué hay que entender

✦ Claves conceptuales de la base

La termodinámica es una teoría de estados de equilibrio — no describe cómo llega el sistema al equilibrio, sino las relaciones entre los estados de equilibrio. La dinámica hacia el equilibrio es la no-equilibrio, fuera del alcance estricto del curso.
La distinción calor/trabajo es fundamental: el calor transfiere entropía, el trabajo no. Esta asimetría es la raíz de todas las limitaciones termodinámicas (segunda ley).
Los procesos cuasi-estáticos son idealizaciones útiles — todo proceso real es irreversible en algún grado. La irreversibilidad siempre genera entropía adicional.
La notación $\bar{δ} Q$ y $\bar{δ} W$ (con barra) marca diferenciales inexactos: su integral depende del camino, no solo del estado inicial y final. $d U$ sí es diferencial exacto.

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