Método termodinámico y método estadístico¶
Introducción¶
El estudio de los procesos que tienen lugar en los sistemas macroscópicos, es decir, sistemas formados por un gran número de micro partículas (átomos, moléculas, iones, etc., dependiendo de la clase de sistema) puede abordarse siguiendo dos métodos:
- Método termodinámico.
- Método estadístico.
El método termodinámico es independiente de cualesquiera modelos de la estructura de la materia (para nada requiere la existencia de átomos, moléculas, etc.). Esencialmente es un método fenomenológico, es decir, su propósito fundamental es establecer relaciones entre propiedades directamente observables (que se miden por procedimientos macroscópicos), tales como presión, volumen, temperatura, concentración de disoluciones, intensidad de campos eléctricos, y magnéticos, etc. Magnitudes asociadas con la estructura atómica y molecular de la materia (dimensiones de átomos o moléculas, su masa, etc.) no son utilizadas por el método termodinámico en la solución de problemas.
En contraste con lo dicho antes, el método estadístico para estudiar las propiedades de cuerpos macroscópicos se basa en la utilización de modelos atómico-moleculares. El propósito fundamental de la física estadística puede formularse como sigue: utilizando las leyes que gobiernan el comportamiento de las partículas integrantes de un determinado sistema, deduce las leyes que gobiernan el comportamiento de las magnitudes macroscópicas que definen el sistema mencionado.
Ventajas e inconvenientes¶
Al afrontar el estudio del comportamiento de la materia, se encuentra que tanto la termodinámica como la física estadística poseen ventajas e inconvenientes en la consideración de distintos fenómenos.
El método termodinámico, al ser independiente de modelos estructurales determinados, está caracterizado por un mayor grado de generalidad. Los resultados obtenidos por la utilización de la física estadística son ciertos sólo en el intervalo de validez de las hipótesis efectuadas en relación con el comportamiento de los constituyentes del sistema.
El método termodinámico se distingue, por regla general, por su gran simplicidad y abre el camino a la solución de gran número de problemas específicos mediante procedimientos matemáticos sencillos, sin necesidad de ninguna información de las propiedades de átomos y moléculas. Esta es la gran ventaja de esté método, especialmente cuando se resuelven problemas prácticos de carácter técnico (termodinámica técnica, transferencia de calor).
El método termodinámico posee, sin embargo, una limitación fundamental: su utilización no permite poner de manifiesto el mecanismo interno de los fenómenos estudiados.
Por esta razón, en Termodinámica, la pregunta ¿por qué? carece de sentido. Supóngase, por ejemplo, que se aplica el método termodinámico para determinar cómo un alambre de cobre se enfría cuando se somete a una rápida extensión, mientras que una banda de goma, en las mismas condiciones, se calienta. Desde un punto de vista termodinámico hay que contentarse en el hecho experimental, ya que el mecanismo físico en el que se basa este fenómeno permanece oculto. En contraste con esto, la solución de un problema particular por el método de la física estadística se basa desde el principio en conceptos atómico-moleculares, lo que permite visualizar el mecanismo del fenómeno considerado.
El método estadístico permite, en principio, resolver problemas que no tienen solución por el método termodinámico. Los ejemplos más importantes de esta clase son la deducción de las ecuaciones de estado de sistemas macroscópicos, la teoría de capacidades térmicas, algunos problemas de la teoría de la radiación térmica, etc.
Conviene destacar que el método estadístico permite, por un lado, una fundamentación rigurosa de las leyes de la termodinámica y por otro lado, hace posible fijar los límites de aplicabilidad de las leyes y también predecir las violaciones de la termodinámica clásica (fluctuaciones) y estimar su escala.
Es claro, de lo visto antes, que ni la Termodinámica ni la Física Estadística se encuentran limitadas a un campo particular de fenómenos físicos, en contraste con la óptica, mecánica, electrodinámica y otras ramas de la física que estudian fenómenos muy definidos. Tanto la Termodinámica como la Física Estadística proporcionan los métodos más adecuados para el estudio de cualquier sistema en estado de equilibrio.