Campo de estudio de la termodinámica Estudia los cambios
de las variables macroscópicas de las sustancias, tales
como la presión, volumen y la temperatura, entre otras,
relacionadas con la energía que caracterizan a un sistema,
como consecuencia del intercambio de calor y trabajo con sus
alrededores.
Conceptos fundamentales Sistema Internacional de Unidades
Dimensión: es una cantidad física que define a un
sistema de unidades. Unidad fundamental: a cada dimensión
fundamental se le asigna una unidad llamada fundamental. Unidades
derivadas: surgen de la combinación de unidades
fundamentales, suplementarias y otras derivadas, según la
ecuación algebraica que las relaciona.
Sistema Internacional de Unidades
Propiedades termodinámicas Masa: Es una propiedad
fundamental de tipo escalar y representa a la cantidad de
materia, independiente de su ubicación geográfica;
puede medirse con una balanza en un campo gravitatorio. Se emplea
para determinar si una propiedad de la sustancia es intensiva o
extensiva. Propiedad: característica inherente a la
materia, que puede medirse. Propiedad intensiva: su valor es
independiente de la cantidad de sustancia. Propiedad extensiva:
su valor depende de la cantidad de sustancia.
Ejemplos de propiedades Propiedades extensivas: Volumen, peso,
energía cinética, energía potencial
gravitatoria. Propiedades intensivas: Densidad, densidad
relativa, peso específico, volumen específico,
presión.
Sistemas termodinámicos Sistema: es una porción con
masa del universo, la que se separa para su análisis.
Sistema cerrado: es el que tiene una cantidad fija e invariable
de masa y solo la energía cruza su frontera. Sistema
aislado: un caso particular del sistema cerrado es el sistema
aislado, en el cual, no hay transferencia de masa ni de
energía a través de su frontera. Sistema abierto:
permite el paso de energía y de masa a través de su
frontera.
Tipos de fronteras Puede clasificarse en reales o
imaginarias.
Ley cero de la termodinámica Cuando dos sustancias A y B
están en condiciones térmicas distintas y alcanzan
simultánea y separadamente el equilibrio térmico
con un tercer sistema, originalmente en condición
térmica distinta de los demás, entonces es un hecho
experimental que las sustancias A y B tienen que estar en
equilibrio térmico entre sí. En otras palabras, hay
una propiedad que indiscutiblemente tiene el mismo valor en cada
sustancia que esté en equilibrio térmico; esta
propiedad se llama temperatura.
Concepto de temperatura En palabras sencillas el mensaje de la
ley cero de la termodinámica es: “todo cuerpo tiene
una propiedad llamada temperatura. Cuando dos cuerpos
están en equilibrio térmico su temperatura es la
misma”. Es una propiedad fundamental y puede entenderse
como aquella propiedad que permanece invariable cuando dos
sustancias están en equilibrio térmico.
Escalas de temperatura Celsius: utilizó los puntos
normales de congelación y ebullición del
agua.
Escalas de temperatura Escala absoluta o de Kelvin. Se
demostró que un gas ideal a presión constante tiene
un V=f(T). Se pensó que la temperatura más
pequeña era aquella con volumen igual a cero, ya que no
hay volúmenes negativos. Se asoció O (K) =-273,15
(°C).
Concepto de calor Calor: Es energía en tránsito. Se
manifiesta cuando dos o más sistemas con temperaturas
distintas se ponen en contacto mediante fronteras
diatérmicas. Sensible: se manifiesta cuando la temperatura
cambia. No hay cambio de fase. Latente: se manifiesta cuando no
cambia la temperatura. Hay cambio de fase.
Ecuaciones del calor (Gp:) c= constante de proporcionalidad,
llamada capacidad térmica específica. Ejercicio 1:
determine las unidades de c en el SI. Ejercicio 2: determine las
unidades de ? en el SI.
Curva de calentamiento del agua
Signo de calor
Modelo matemático que representa la relación entre
los valores experimentales calor y temperatura
Concepto de energía Es una cantidad física de tipo
escalar que latente o manifiesta es capaz de producir cambios en
la materia o en sus alrededores. Pregunta: ¿La
energía es propiedad?
Energías en transición: calor y trabajo
Definición de trabajo (Gp:) La fuerza es un agente capaz
de cambiar o modificar la cantidad de movimiento de un cuerpo con
respecto al tiempo.
Signo del trabajo Compresión Expansión
Trabajo casiestático Es aquél en el que la
interacción que produce el cambio difiere en menos de un
infinitésimo del valor de la propiedad sobre la influye.
Es el proceso en el que el cambio se efectúa muy
lentamente, de tal forma, que el sistema está siempre en
equilibrio termodinámico. Sin embargo, el estado final es
diferente del inicial.
Experimento de James Prescott Joule Un recipiente
adiabático contiene una cierta cantidad de agua, con un
termómetro para medir su temperatura, un eje con unas
paletas que se ponen en movimiento por la acción de una
pesa, tal como se muestra en la figura.
Experimento de Joule La versión original del experimento,
consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del
eje. La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente
constante, pierde energía potencial, entonces el agua
agitada por las paletas se calienta debido a la fricción.
Si el bloque de masa (m) desciende una altura (a), la
energía potencial disminuye en mga, y ésta es la
energía que se utiliza para calentar el agua (se
desprecian otras pérdidas).
Experimento de Joule Joule encontró que la
disminución de energía potencial es proporcional al
incremento de temperatura del agua. La constante de
proporcionalidad (la capacidad térmica específica
del agua) es igual a 4,186 (J/(g ?°C)). Por tanto, 4,186 (J)
de energía mecánica aumentan la temperatura de 1(g)
de agua en 1(°C). Se define la caloría como la
cantidad de energía calorífica necesaria para
elevar 1(°C), la temperatura de 1(g) de agua pura, desde
14,5 (°C) a 15,5 (°C), a una presión
normal de 101,325 (kPa).
Conceptos Estado: es el conjunto de valores de las propiedades
intensivas de un sistema en un momento dado. Estado de
equilibrio: es aquel cuyas propiedades intensivas tienen valores
independientes del tiempo. Proceso: es el pasaje del sistema
desde un estado de equilibrio inicial a otro estado de equilibrio
final. Cualidad matemática de una propiedad: la
característica matemática de una propiedad de la
sustancia como función, es que da una diferencial
exacta.
Proceso Cíclico En el proceso cíclico ?P =O y ?v
=O
Postulado de estado La experiencia señala que en el caso
de fluidos simples, el estado termodinámico se define
cuando se fija el valor de cualesquiera de dos propiedades
independientes e intensivas. Un proceso casiestático se
representa con una línea continua. En puntos consecutivos
de esta línea el valor de la propiedad
prácticamente no cambia.
Diagrama (v,P) Gracias al postulado de estado es posible trazar
diagramas termodinámicos.
Primera ley de la termodinámica Basado en pruebas
experimentales, la primera ley de la termodinámica,
establece lo siguiente: {Q} + {W} = ?EC + ?EP + ?U
Primera ley de la termodinámica Se observó que el
cambio en la energía del sistema cerrado (dEs) es igual a
la suma de las energías en tránsito. Para un
sistema cerrado que experimenta un proceso cíclico, el
principio de conservación de la energía se reduce a
Dos diferenciales inexactas Diferencial exacta
Experimento 1 Experimento 1: en un sistema adiabático,
deje que la canica se mueva sin fricción. La
energía del sistema y la energía mecánica se
conservan.
Experimento 2 Experimento 2: deje que la canica se mueva con
fricción. Se disipa la energía mecánica y
como la energía se conserva, se piensa en otro tipo de
energía (que puede convertirse una en la otra).
Experimento 2 Se disipa la energía mecánica, sin
embargo, la energía se conserva, por otro lado, en virtud
de la fricción, la temperatura aumenta, en consecuencia se
propone un tipo de energía que depende primordialmente de
la temperatura, llamada energía interna (U).
Es=energía mecánica+ energía interna
Leyes de los gases Ley de Boyle y de Mariotte
Leyes de los gases Ley de Charles
Leyes de los gases Ley de Charles: existe un segundo enunciado de
esta ley. Cuando el volumen de un gas permanece constante la
presión de éste varía proporcionalmente con
su temperatura.
Leyes de los gases Ley de Gay-Lussac: esta ley coincide con el
segundo enunciado de la ley de Charles.
Ecuación del gas ideal (Gp:) En un gas ideal se cumple
que: Dividiendo entre la masa:
Ecuación del gas ideal C´ es igual a la constante
particular del gas. Generalizando: Ejercicio: determine las
unidades de R, en el Sistema Internacional de Unidades.
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