En termodinámica , una pared adiabática entre dos sistemas termodinámicos no permite que el calor o las sustancias químicas pasen a través de ella, en otras palabras, no hay transferencia de calor ni transferencia de masa .
En las investigaciones teóricas, a veces se supone que uno de los dos sistemas es el entorno del otro. Entonces se supone que el trabajo transferido es reversible dentro del entorno, pero en termodinámica no se supone que el trabajo transferido sea reversible dentro del sistema. La suposición de reversibilidad en el entorno tiene como consecuencia que la cantidad de trabajo transferido está bien definida por variables macroscópicas en el entorno. En consecuencia, a veces se dice que el entorno tiene un reservorio de trabajo reversible.
Junto con la idea de pared adiabática está la de recinto adiabático. Es muy posible que un sistema tenga algunas paredes limítrofes que sean adiabáticas y otras que no lo sean. Cuando algunas no son adiabáticas, el sistema no está encerrado adiabáticamente, aunque puede producirse una transferencia adiabática de energía en forma de trabajo a través de las paredes adiabáticas.
El recinto adiabático es importante porque, según un autor ampliamente citado, Herbert Callen , "un requisito previo esencial para la mensurabilidad de la energía es la existencia de paredes que no permitan la transferencia de energía en forma de calor". [1] En termodinámica, se acostumbra a suponer a priori la existencia física de recintos adiabáticos, aunque no se acostumbra etiquetar esta suposición por separado como un axioma o una ley numerada.
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 (que aquí se denominará 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 (que aquí se denominará corriente mecánica) es desde un punto de vista principalmente teórico, que la define como una cantidad residual después de que se hayan 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 mecánico, 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 un proceso de transferencia de energía entre dos cuerpos o sistemas cerrados, el calor transferido se define como una cantidad residual 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] [9] [10] [11] [12] [13] 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.
Los autores Buchdahl, Callen y Haase no mencionan el paso de la radiación, térmica o coherente, a través de sus paredes adiabáticas. Carathéodory analiza explícitamente los problemas relacionados con la radiación térmica, que es incoherente, y probablemente desconocía la posibilidad práctica de la luz láser , que es coherente. En 1909, Carathéodory afirma que deja estas preguntas sin respuesta.
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 define la pared adiabática 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. [9] 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. [12] 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 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 tales paredes existen como primitivas postuladas indefinidas.
En la presentación ampliamente citada de Callen [1] , se introduce la noción de pared adiabática como límite de una pared que es poco conductora del calor. Aunque Callen no menciona aquí explícitamente la temperatura, considera el caso de un experimento con hielo derretido, realizado en un día de verano, cuando, el lector puede especular, la temperatura de los alrededores sería más alta. Sin embargo, cuando se trata de una definición estricta, Callen no utiliza esta explicación introductoria. Finalmente define un recinto adiabático como lo hace Carathéodory, que pasa energía solo como trabajo y no pasa materia. En consecuencia, define el calor, por lo tanto, como energía que se transfiere a través del límite de un sistema cerrado de otra manera que no sea por trabajo.
Como lo sugiere, por ejemplo, Carathéodory y lo utiliza, por ejemplo, Callen, el ejemplo preferido de una pared adiabática es el de un matraz Dewar . Un matraz Dewar tiene paredes rígidas. Sin embargo, Carathéodory requiere que sus paredes adiabáticas se imaginen flexibles y que las presiones sobre estas paredes flexibles se ajusten y controlen externamente de modo que las paredes no se deformen, a menos que se lleve a cabo un proceso en el que se transfiera trabajo a través de las paredes. El trabajo considerado por Carathéodory es el trabajo de presión-volumen. Otro texto considera el amianto y la fibra de vidrio como buenos ejemplos de materiales que constituyen una pared adiabática practicable. [14]
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.