FUNDAMENTOS MICROSCÓPICOS DE FUNDAMENTOS MICROSCÓPICOS DE LA TERMODINÁMICALA TERMODINÁMICA

• El descubrimiento de que toda la materia está

formada por moléculas dio una base

microscópica para la termodinámica.

Dra. D

olores Villanueva M

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FUNDAMENTOS MICROSCÓPICOS DE FUNDAMENTOS MICROSCÓPICOS DE LA TERMODINÁMICALA TERMODINÁMICA

• Los objetos de dimensiones normales, a escala humana, contienen cantidades inmensas de moléculas (del orden de 1024 ).

• Por ejemplo, en un metro cúbico de agua hay unos 25 billones de billones de partículas (25 seguido de 24 ceros).

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Termodinámica estadística Termodinámica estadística

• Cálculos que se basan en un modelo de molécula o Ion individual y se utilizan para obtener los valores medios de las variables mecánicas de las moléculas de un sistema y deducir de ellos las características generales del sistema.

• Estas características generales resultan ser precisamente las variables termodinámicas macroscópicas.

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Termodinámica estadística Termodinámica estadística

• El tratamiento estadístico de la mecánica molecular se denomina mecánica estadística, y proporciona a la termodinámica una base mecánica.

• La mecánica estadística emplea principios estadísticos para predecir y describir el movimiento de las partículas.

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La Mecánica estadísticaLa Mecánica estadística

• La Mecánica estadística, es una rama de la física que trata de predecir las propiedades medias o promedios de sistemas formados por un número muy grande de partículas.

• Desarrollada en el siglo XIX, por el físico británico J.C. Maxwell, el físico austriaco L. Boltzmann y el físico matemático estadounidense J. W. Gibbs.

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Mecánica estadísticaMecánica estadística• En contra de las bases de la teoría cinética, las

condiciones mecánicas iníciales de las partículas nunca se conocen. Por tanto, es imposible establecer sus trayectorias y su descripción mecánica.

• Se estudian estadísticamente las singularidades de las partículas que forman cualquier sistema termodinámico.

• El número de partículas es elevadísimo.

Principio de orden Principio de orden • La mayor probabilidad de un macroestado

implica que aparecerá más tiempo que otro.• “El macroestado de probabilidad máxima

caracteriza el estado de equilibrio del sistema”.

• Este es el “principio de orden de Boltzmann”.

INTERPRETACIÓN MOLECULARINTERPRETACIÓN MOLECULARDE LA ENTROPÍA.DE LA ENTROPÍA.

• Un sistema puede describirse de dos formas:* Macroscópicamente (P, V, T)* Microscópicamente (posición y velocidad de cada átomo)

• Con un estado macroscópico hay muchos estados microscópicoscompatibles.

• La entropía es una medida del número de estados microscópicosasociados con un estado macroscópico determinado.

• Un sistema desordenado es más probable que uno ordenado porque tiene más estados microscópicos disponibles.

• La entropía tiene una tendencia natural a aumentar dado que corresponde al cambio de condiciones de baja probabilidad a estados de probabilidad mayor.

Implicancias: ¿cómo se puede explicar la vida?

• “La vida es una lucha constante para poder generar suficiente entropía en nuestro entorno como para seguir construyendo y manteniendo nuestras complejas interioridades” Atkins

Termodinámica EstadísticaTermodinámica Estadística

• Estos científicos a través de sus cálculos descubrieron que la temperatura es una medida de la energía cinética media o promedio de las partículas microscópicas.

• También hallaron que la entropía es proporcional al logaritmo del número de formas en que se puede ordenar microscópicamente un sistema macroscópico dado.

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El Primer Principio de la El Primer Principio de la TermodinámicaTermodinámica

• El primer principio de la termodinámica, o el principio de conservación de la energía, exige que el trabajo de expansión del volumen se haga a expensas de una disminución de su energía interna.

• Hay que recordar que las ecuaciones de Einstein describen el “crecimiento” del Universo causado por el contenido material del Universo.

• El primer principio de la termodinámica junto con las ecuaciones de Einstein permite obtener el ritmo de crecimiento de las distancias cósmicas en el tiempo.

El Segundo Principio de la El Segundo Principio de la TermodinámicaTermodinámica

• La entropía puede considerarse como una medida del desordenLa entropía es la medida del grado de desorden de un sistema molecular

• Un proceso espontáneo tiene un sentido inherente, aun cuando la energía se conserva.

• Por ejemplo, imagine una secuencia en la cual un huevo cae y se rompe.

• Es algo espontáneo.• Imagine una secuencia en la cual un

huevo roto parece elevarse del suelo, volver a integrarse por sí mismo y terminar en la mano de alguien.

• El proceso inverso no es espontáneo.• Años de observar la naturaleza nos

han inculcado una regla sencilla : un proceso que es espontáneo en un sentido no lo es en el sentido inverso.

2da Ley de la Termodinámica 2da Ley de la Termodinámica EL DESORDEN DEL UNIVERSO NUNCA DISMINUYEEL DESORDEN DEL UNIVERSO NUNCA DISMINUYE

• La entropía es una magnitud que mide el grado de desorden de un sistema.

• Con su ecuación Clausius viene a decir que nuestro universo, dejado sólo, evoluciona hacia estados cada vez más desorganizados

– S: entropía – universo: todo lo que es – >0: que aumenta con el tiempo

Termodinámica Termodinámica y el Universoy el Universo

El componente del universo es la radiación: el gas de fotones micro-ondulares de fondo que descubrieron Penzias y Wilson.

La expansión del universo es la expansión del propio espacio, no la de algo que esté en el espacio del universo.

El Segundo Principio de la El Segundo Principio de la TermodinámicaTermodinámica

• El segundo principio de la termodinámica nos da la clave para colegir la temperatura del Universo en el pasado.

• Ahora conocemos la ley de decrecimiento de la temperatura con las distancias (y por tanto también con el tiempo).

• Conocida la temperatura en cada momento de la vida del Universo primitivo, es posible conocer los procesos físicos que tuvieron lugar gracias a la física de las partículas elementales o física de altas energías.

• Ello nos permite reconstruir la historia de la evolución del Universo desde las primeras fracciones de segundo.

Termodinámica y el Universo

• Acoplando la física de partículas cuánticas, la cosmología y la termodinámica, se considera que

• El valor de la entropía específica tiene muchísima importancia porque determina la naturaleza del universo.

Dra. Dolores Villanueva Medico - Docente

Termodinámica y el Universo• El universo es un sistema

cerrado, y, en consecuencia, su entropía, aumenta con el tiempo de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica.

• Se forman galaxias y arden estrellas, vertiendo así al espacio fotones que se suman al gas de fotones previo.

• Esos procesos aumentan la entropía total del universo.

Dra. Dolores Villanueva Medico - Docente

TERMODINÁMICA Y EL UNIVERSO

Pero lo notable es que el aumento de la entropía total del universo, es sólo una diezmilésima de la entropía que existe ya en los fotones de fondo, una fracción mínima.

Dra. Dolores Villanueva Medico - Docente

Termodinámica y el UniversoTermodinámica y el Universo

• La entropía total del universo se halla hoy, en el gas de fotones y se ha mantenido constante desde la gran explosión.

• La entropía es básicamente una cantidad conservada en nuestro universo.

HOMEOSTASISHOMEOSTASIS

• Homeostasis, proceso por el cual un organismo mantiene las condiciones internas constantes necesarias para la vida.

• El concepto de homeostasis fue introducido por primera vez por el fisiólogo francés del siglo XIX Claude Bernard, quien subrayó que "la estabilidad del medio interno es una condición de vida libre".

HOMEOSTASISHOMEOSTASIS

• Este término fue acuñado por Walter Cannon en 1926, deriva de la palabra griega homeo que significa ‘igual’, y stasis que significa ‘posición’.

• En la actualidad, se aplica al conjunto de procesos que previenen los cambios en la fisiología de un organismo, e incluso se ha aplicado a la regulación de variaciones en los diversos ecosistemas o del Universo como un todo.

HOMEOSTASISHOMEOSTASIS

• Los mecanismos homeostáticos no tienen por finalidad el cumplir con las leyes físicas

• Dichos mecanismos están avocados a la conservación de la vida

MECANISMOS HOMEOSTÁTICOS MECANISMOS HOMEOSTÁTICOS

• La homeostasis requiere que el organismo sea capaz de detectar la presencia de cambios en el medio y de controlarlos.

• Una pequeña variación respecto al nivel establecido iniciará una respuesta homeostática

• Mecanismos:– Retroalimentación Negativa– Retroalimentación Positiva