En termodinámica , una pared diatérmica entre dos sistemas termodinámicos permite la transferencia de calor , pero no permite la transferencia de materia a través de ella.
La pared diatérmica es importante porque, en termodinámica, se acostumbra a suponer a priori , para un sistema cerrado , la existencia física de transferencia de energía a través de una pared que es impermeable a la materia pero no adiabática , transferencia que se denomina transferencia de energía como calor, aunque no se acostumbra etiquetar esta suposición por separado como un axioma o ley numerada. [1]
En la termodinámica teórica, los autores respetados varían en sus enfoques para la definición de la cantidad de calor transferido. Hay dos corrientes principales de pensamiento. Una es desde un punto de vista principalmente empírico (a la que aquí nos referiremos como la corriente termodinámica), que define la transferencia de calor como algo que ocurre solo por mecanismos macroscópicos específicos ; en términos generales, este enfoque es históricamente más antiguo. La otra (a la que aquí nos referiremos como la corriente mecánica) es desde un punto de vista principalmente teórico, que la define como una cantidad residual calculada después de que se han determinado las transferencias de energía como trabajo macroscópico, entre dos cuerpos o sistemas cerrados, para un proceso, de modo que se ajuste al principio de conservación de la energía o la primera ley de la termodinámica para sistemas cerrados; este enfoque se desarrolló en el siglo XX, aunque se manifestó parcialmente en el XIX. [2]
En la corriente de pensamiento termodinámica, los mecanismos específicos de transferencia de calor son la conducción y la radiación . Estos mecanismos presuponen el reconocimiento de la temperatura ; la temperatura empírica es suficiente para este propósito, aunque la temperatura absoluta también puede servir. En esta corriente de pensamiento, la cantidad de calor se define principalmente mediante calorimetría . [3] [4] [5] [6]
Aunque su definición difiere de la de la corriente de pensamiento mecanicista, la corriente de pensamiento empírica presupone, no obstante, la existencia de recintos adiabáticos y los define a través de los conceptos de calor y temperatura. Estos dos conceptos son coherentes en el sentido de que surgen conjuntamente en la descripción de experimentos de transferencia de energía en forma de calor. [7]
En la corriente mecánica de pensamiento sobre sistemas cerrados, el calor transferido se define como una cantidad residual calculada de energía transferida después de que se ha determinado la energía transferida como trabajo, asumiendo para el cálculo la ley de conservación de la energía, sin referencia al concepto de temperatura. [8] [1] [9] [10] [11] [12] Hay cinco elementos principales de la teoría subyacente.
Las presentaciones axiomáticas de esta corriente de pensamiento varían ligeramente, pero intentan evitar las nociones de calor y de temperatura en sus axiomas. Es esencial para esta corriente de pensamiento que el calor no se presuponga como algo medible por calorimetría. Es esencial para esta corriente de pensamiento que, para la especificación del estado termodinámico de un cuerpo o sistema cerrado, además de las variables de estado llamadas variables de deformación, haya precisamente una variable de estado extra con valor de número real, llamada variable de no deformación, aunque no debería ser reconocida axiomáticamente como una temperatura empírica, aunque satisfaga los criterios para una.
Como se mencionó anteriormente, una pared diatérmica puede transmitir energía en forma de calor por conducción térmica, pero no materia. Una pared diatérmica puede moverse y, por lo tanto, ser parte de una transferencia de energía en forma de trabajo. Entre las paredes que son impermeables a la materia, las paredes diatérmicas y adiabáticas son contrarias.
En cuanto a la radiación, podrían resultar útiles algunos comentarios adicionales.
En la termodinámica clásica, no se considera la radiación unidireccional, de un sistema a otro. La radiación bidireccional entre dos sistemas es uno de los dos mecanismos de transferencia de energía en forma de calor. Puede ocurrir a través del vacío, con los dos sistemas separados del vacío intermedio por paredes que son permeables solo a la radiación; una disposición de este tipo se ajusta a la definición de pared diatérmica. El resto de la transferencia radiativa es la transferencia de calor.
En termodinámica, no es necesario que la transferencia radiativa de calor sea de radiación pura de cuerpo negro, ni de radiación incoherente. Por supuesto, la radiación de cuerpo negro es incoherente. Por lo tanto, la radiación láser cuenta en termodinámica como un componente unidireccional de la radiación bidireccional que es la transferencia de calor. Además, por el principio de [reciprocidad de Helmholtz], el sistema objetivo irradia hacia el sistema de fuente láser, aunque, por supuesto, de manera relativamente débil en comparación con la luz láser. Según Planck, un haz de luz monocromático incoherente transfiere entropía y tiene una temperatura. [13] Para que una transferencia se califique como trabajo, debe ser reversible en el entorno, por ejemplo, en el concepto de un depósito de trabajo reversible. La luz láser no es reversible en el entorno y, por lo tanto, es un componente de la transferencia de energía como calor, no como trabajo.
En la teoría de transferencia radiativa se considera la radiación unidireccional. Para la investigación de la ley de Kirchhoff de la radiación térmica son necesarios los conceptos de absortividad y emisividad , que se basan en la idea de la radiación unidireccional. Estos conceptos son importantes para el estudio de los coeficientes de Einstein , que se basan en parte en el concepto de equilibrio termodinámico .
Para la corriente de pensamiento termodinámica, la noción de temperatura empírica se presupone coordinadamente en la noción de transferencia de calor para la definición de una pared adiabática. [7]
Para la corriente mecánica del pensamiento, la forma exacta en que se definen las paredes es importante.
En la exposición de Carathéodory, es esencial que la definición de la pared adiabática no dependa en modo alguno de las nociones de calor o temperatura. [1] Esto se logra mediante una redacción cuidadosa y una referencia a la transferencia de energía solo como trabajo. Buchdahl es cuidadoso en el mismo sentido. [11] Sin embargo, Carathéodory postula explícitamente la existencia de paredes que son permeables solo al calor, es decir, impermeables al trabajo y a la materia, pero aún permeables a la energía de alguna manera no especificada; se las llama paredes diatérmicas. Se podría perdonar a alguien por inferir de esto que el calor es energía en transferencia a través de paredes permeables solo al calor, y que se admite que tales existen sin etiquetarlas como primitivas postuladas.
La corriente mecánica del pensamiento considera, pues, la propiedad del recinto adiabático de no permitir la transferencia de calor a través de sí mismo como una deducción de los axiomas de Carathéodory de la termodinámica, y considera la transferencia de calor como un concepto residual más que primario.