Instrumentos termodinámicos

Un instrumento termodinámico es cualquier dispositivo que se utiliza para medir sistemas termodinámicos . Para que un parámetro termodinámico o una magnitud física se definan correctamente, se debe especificar una técnica para medirlo. Por ejemplo, la definición definitiva de temperatura es "lo que indica un termómetro". La pregunta es: ¿qué es un termómetro?

Existen dos tipos de instrumentos termodinámicos: el medidor y el reservorio. ^[1] Un medidor termodinámico es cualquier dispositivo que mide cualquier parámetro de un sistema termodinámico. Un reservorio termodinámico es un sistema que es tan grande que no altera apreciablemente sus parámetros de estado cuando entra en contacto con el sistema de prueba. ^[1]

Dos herramientas complementarias generales son el medidor y el reservorio. Es importante que estos dos tipos de instrumentos sean distintos. Un medidor no realiza su tarea con precisión si se comporta como un reservorio de la variable de estado que está tratando de medir. Si, por ejemplo, un termómetro actuara como un reservorio de temperatura, alteraría la temperatura del sistema que se está midiendo y la lectura sería incorrecta. Los medidores ideales no tienen efecto sobre las variables de estado del sistema que están midiendo.

Un medidor es un sistema termodinámico que muestra algún aspecto de su estado termodinámico al observador. La naturaleza de su contacto con el sistema que 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 un medidor de este tipo.

En algunos casos, el parámetro termodinámico 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 están en equilibrio térmico entre sí. ^[2] Este principio, como 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 una muestra de este tipo puede utilizarse como indicador de temperatura; de esta manera, define la temperatura. Aunque la presión se define mecánicamente, también se puede construir un dispositivo de medición de 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 : dispositivo que mide la presión, en particular la presión atmosférica. ^[3] Se puede construir un barómetro de gas ideal conectando mecánicamente un gas ideal al sistema que se está midiendo, aislándolo térmicamente. El volumen medirá entonces la presión, según la ecuación del gas ideal P = NkT / V .
• Calorímetro : dispositivo que mide la energía térmica agregada a un sistema. ^[4] Un calorímetro simple es simplemente un termómetro conectado a un sistema aislado térmicamente.

Un depósito es un sistema termodinámico que controla el estado de un sistema, generalmente "imponiéndose" sobre el sistema que se está controlando. Esto significa que la naturaleza de su contacto con el sistema se puede controlar. Un depósito es tan grande que su estado termodinámico no se ve afectado apreciablemente por el estado del sistema que se está controlando. El término " presión atmosférica " ​​en la siguiente descripción de un termómetro teórico es esencialmente un "depósito de presión" que impone presión atmosférica sobre el termómetro.

Algunos reservorios comunes son:

• Depósito de presión: con diferencia, el depósito de presión más común es la atmósfera de la Tierra. ^[1]
• Depósito de temperatura: Una gran cantidad de agua en su punto triple forma un depósito de temperatura efectivo.

Supongamos que entendemos la mecánica lo suficientemente bien como para entender y medir el volumen , el área , la masa y la fuerza . Estos pueden combinarse para comprender el concepto de presión, que es la fuerza por unidad de área, y la densidad, que es la 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:

${\displaystyle PV=NkT\,}$

donde P es la presión, V es el volumen, N es el número de partículas (masa total dividida por la masa por partícula), k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura. De hecho, esta ecuación es más que una ecuación fenomenológica, da una definición operacional o experimental de la temperatura. Un termómetro es una herramienta que mide la temperatura - un termómetro primitivo sería simplemente un pequeño recipiente de un gas ideal, que se dejaba expandir contra la presión atmosférica. Si lo ponemos en contacto térmico con el sistema cuya temperatura deseamos medir, esperamos hasta que se equilibre y luego medimos el volumen del termómetro, podremos calcular la temperatura del sistema en cuestión a través de T = PV / Nk . Con suerte, el termómetro será lo suficientemente pequeño como para que no altere 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 más precisión diciendo que es un sistema que contiene un gas ideal, que está conectado térmicamente al sistema que está midiendo, al mismo tiempo que está aislado dinámica y materialmente de él. Está conectado dinámicamente a un depósito de presión externo, del que está aislado material y térmicamente. Ahora se pueden construir otros termómetros (por ejemplo, termómetros de mercurio , que muestran el volumen de mercurio al observador) y calibrarlos con el termómetro de gas ideal.