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Clase iv termodinamica
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Clase iv termodinamica

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  • 1. Termodinámica La termodinámica es la rama de la física que estudia la energía, la transformación entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo.Un sistema puede ser cualquier objeto, masa, región del espacio, etc.,seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo demás, quepasa a ser el entorno del sistema. El sistema y su entorno forman el universo. Ladistinción entre sistema y entorno es arbitraria: el sistema es lo que elobservador ha escogido para estudiar.La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa del entorno se llamafrontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales quesirven para: a) aislar el sistema de su entorno o parab) permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente.
  • 2. Un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno. Un sistema cerrado es aquel que sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia. Un sistema abierto es aquel que puede intercambiar materia y energía con su entorno.Sistema termodinámicoUn sistema termodinámico es un sistema macroscópico cuyas característicasmicroscópicas (la posición y la velocidad de las partículas en cada instante) esinaccesible y donde sólo son accesibles sus características estadísticas.El estado de un sistema representa la totalidad de las propiedadesmacroscópicas asociadas con él.Cualquier sistema que muestre un conjunto de variables identificables tiene unestado termodinámico, ya sea que esté o no en equilibrio.
  • 3. La termodinámica se ocupa de la energía y sus transformaciones en lossistemas desde un punto de vista macroscópicoUn sistema puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad de materia,cualquier región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo yaislarlo (mentalmente) de todo lo demás, lo cual se convierte entoncesen el entorno del sistema. sistema + entorno = universo.La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de susinmediaciones (entorno) se llama frontera del sistema y puedepensarse que tiene propiedades especiales que sirven para:a) aislar el sistema de su entorno o parab) permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y suambiente.
  • 4. Llamamos sistema, o medio interior, laporción del espacio limitado por unasuperficie real o ficticia, donde se sitúa lamateria estudiada.El resto del universo es el medio exterior.
  • 5. Si la frontera permite la interacción entre el sistema y su entorno, talinteracción se realiza a través de los canales existentes en la frontera.Los canales pueden ser inespecíficos para interacciones fundamentales talescomo el calor o la interacción mecánica o eléctrica, o muy específicos parainteracciones de transporte.Sistemas aislados, cerrados y abiertosSistema aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni energíacon su entorno.Sistema cerrado es el sistema que sólo puede intercambiar energía con suentorno, pero no materia.Sistema abierto es el sistema que puede intercambiar materia y energía consu entorno.
  • 6. Todo sistema posee una estructura microscópica(moléculas, ellas mismas formadas por átomos,ellos mismos formados por partículaselementales); de modo que uno puede considerar,a priori, las características microscópicas,propias de cada una de las partículasconstitutivas del sistema, y las característicasmacroscópicas correspondientes alcomportamiento estadístico de estas partículas. Sistema termodinámico Un sistema termodinámico es un sistema macroscópico, es decir, un sistema cuyo detalle de sus características microscópicas (comprendida la posición y la velocidad de las partículas en cada instante) es inaccesible y donde sólo son accesibles sus características estadísticas.
  • 7. Estado de un sistema y sus transformacionesla palabra estado representa la totalidad de las propiedades macroscópicasasociadas con un sistema...Cualquier sistema que muestre un conjunto de variables identificables tieneun estado termodinámico, ya sea que esté o no en equilibrio.!!!!Concepto de transformación: estado inicial y estado final, transformacióninfinitesimal Se dice que ocurre una transformación en un sistema si, como mínimo, cambia devalor una variable de estado dentro del mismo a lo largo del tiempo.Si el estado inicial es distinto del estado final, la transformación es abierta.Si los estados inicial y final son iguales, la transformación es cerrada.Si el estado final es muy próximo al estado inicial, la transformación esinfinitesimal.El interés de la termodinámica se centra en los estados inicial y final de lastransformaciones, independientemente del camino seguido.Eso es posible gracias a las funciones de estado.
  • 8. Transformaciones reversibles e irreversiblesUna transformación es reversible si se realiza mediante una sucesión deestados de equilibrio del sistema con su entorno y es posible devolver alsistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino.Reversibilidad y equilibrio son equivalentes.Si una transformación no cumple estas condiciones se llama irreversible.Equilibrio termodinámicoLas propiedades termodinámicas de un sistema vienen dadas por losatributos físicos macroscópicos observables del sistema, mediante laobservación directa o mediante algún instrumento de medida.Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningúncambio en sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo.Los estados de equilibrio son, por definición, estados independientes deltiempo.
  • 9. El estado de equilibrio termodinámico se caracteriza por la anulación porcompensación de flujos de intercambio y la homogeneidad espacial de losparámetros que caracterizan el sistema que ya no dependen del tiempo.Un estado de no equilibrio es un estado con intercambios netos de masa oenergía y sus parámetros característicos dependen en general de la posicióny del tiempo.Si no dependen del tiempo, necesitan la intervención del entorno paramantener sus valores (estado estacionario fuera del equilibrio).
  • 10. ReversibilidadUn proceso es reversible si su dirección puede invertirse en cualquier puntomediante un cambio pequeño en las condiciones externas.Para los procesos reversibles es posible basar los cálculos en las propiedadesdel sistema (con independencia de los del entorno).En los procesos reversibles, el sistema nunca se desplaza más que su equilibriointerno o de su equilibrio con su entorno.Noción de depositoSe llama depósito un sistema cuyas variables intensivas no varían ni en elespacio ni en el tiempo, sean cuales sean los intercambios efectuados entre elsistema y el entorno. Así, un depósito es una fase que permaneceindefinidamente idéntica a si misma. Ello implica que: 1) para todas lascantidades extensivas susceptibles de ser intercambiadas, puede considerarseque el sistema tiene una capacidad ilimitada. 2) que los intercambios seproducen lentamente de forma que no se producen gradientes dentro delsistema de sus variables intensivas. 3) que no se producen reacciones químicasdentro del sistema. 
  • 11. La primera ley de la termodinámica afirma que la energía total de cualquier sistema aislado se conserva. También conocida como ley de la conservación de la energía, la Primera ley de la termodinámica establece que si se realiza trabajo sobre un sistema, la energía interna del sistema variará.Se trata de la generalización de la segunda ley de Newton (conservación delmovimiento), en este caso llamamos al calor “Q” y la adoptamos como una formade energía y la energía interna “U” como una propiedad de la materia.El primer reconocimiento del principio de conservación, por Leibniz en 1693, serefería sólo a la suma de la energía cinética (½mv2) y la energía potencial (mgh)de una masa mecánica simple situada en el campo gravitacional terrestre.A medida que se fueron considerando nuevos tipos de sistemas, la formaestablecida del principio de conservación fallaba repetidamente, pero en cadacaso, fue posible revivirlo mediante la incorporación de un nuevo términomatemático (una nueva clase de energía)... El principio de la conservación de la energía es uno de los más fundamentales, generales y significantes principios de la teoría física.  
  • 12. La primera ley de la termodinámica identifica el calor como una forma de energía.Esta idea, que hoy nos parece elemental, tardómucho en abrirse camino y no fue formulada hasta ladécada de 1840, gracias a las investigaciones deMayer y de Joule principalmente.Anteriormente, se pensaba que el calor era unasustancia indestructible y sin peso (el calórico) queno tenía nada que ver con la energía.
  • 13. EnergíaEn la práctica, en las situaciones no-relativistas, se tiende, en primeraaproximación (normalmente muy buena), a descomponer la energía total en unasuma de términos que se llaman las diferentes formas de la energía…La energía potencial y la energía cinética son dos elementos a considerar, tantoen la mecánica como en la termodinámica.Estas formas de energía se originan por la posición y el movimiento de unsistema en conjunto, y se conocen como la energía externa del sistema.La energía interior de la materia, energía asociada con el estado interno de unsistema que se llama energía interna. Cuando se sabe un número suficiente dedatos termodinámicos, como por ejemplo, temperatura y presión, se puededeterminar el estado interno de un sistema y se fija su energía interna.La energía interna de un sistema, es el resultado de la energía cinética de lasmoléculas o átomos que lo constituyen, de sus energía de rotación y vibración,además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipogravitatorio, electromagnético y nuclear, que constituyen conjuntamente lasinteracciones fundamentales. Al aumentar la temperatura de un sistema, sinque varíe nada más, aumenta su energía interna.
  • 14. La energía cinética es una forma de energía debida al movimiento de loscuerpos. Equivale al trabajo que es necesario realizar para que el cuerpo pasedel estado de reposo ( v = 0 ) al estado de desplazamiento con una velocidad v. La energía potencial puede pensarse como la energía almacenada en unsistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Másrigurosamente, la energía potencial es un campo escalar (es decir, una funciónde la posición) asociado a una fuerza, y tal que la diferencia entre los valoresdel campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado por la fuerza paracualquier recorrido entre B y A.En general la energía total, ET , de un sistema puede descomponerse enenergía de masa, Em, energía cinética, Ek, energía potencial, Ep, y energíainterna, U, es decir, ET = Em + Ek + Ep + U
  • 15. donde Em = mc2 Ec = ½mv2 La energía potencial depende de los campos externos a los que está sometido el sistema y viene dada por una función de la posición, y la energía interna U que considera la energía de las partículas que constituyen el sistema y sus interacciones a corta distancia. En realidad, esta descomposición permite distinguir entre las formas de energía mecánica (Em, Ek y Ep) y una forma de energía termodinámica (U) que tiene sentido para un sistema estadístico constituido por un gran número de partículas.
  • 16. El cambio de energía total del sistema… DE = DEc + DEp + DUdonde DEk y DEp representan el cambio de su energía externa, cinética y potencial respectivamente,y DU representa el cambio de su energía interna, dada por la energía cinética y potencial de lasmoléculas, átomos y partículas subatómicas que constituyen el sistema.Energía internaLa energía interna de un sistema, U, tiene la forma de energía cinética ypotencial de las moléculas, átomos y partículas subatómicas que constituyen elsistema, es decir, U = Ec int + Ep intdonde la energía cinética interna es la suma de la energía cinética de todas laspartículas del sistema.y la energía potencial interna es la suma de la energía potencial debida a lainteracción de todas las partículas entre si.  
  • 17. Medida de la energíaSólo las diferencias de energía, en vez de los valores absolutos de energía,tienen significación física, tanto a nivel atómico como en sistemasmacroscópicos. Convencionalmente se adopta algún estado particular de unsistema como estado de referencia, la energía del cual se asignaarbitrariamente a cero. La energía de un sistema en cualquier otro estado,relativa a la energía del sistema en el estado de referencia, se llama laenergía termodinámica del sistema en ese estado y se denota por elsímbolo U.
  • 18. Primera ley de la termodinámicaPara un sistema cerrado (de masa constante) la primera ley de latermodinámica se expresa matemáticamente por medio de: DET = Q - Wdonde DET es el cambio total de energía del sistema, Q es el calor agregadoal sistema y W el trabajo realizado por el sistema.La primera ley de la termodinámica expresa que el cambio total de energía de un sistema cerrado es igual al calor transferido al sistema, menos el trabajo efectuado por el sistema.Si se expande DET en la expresión de la primera ley, se obtiene la ecuación DEc + DEp + DU = Q - WEn el caso frecuente donde las energías potencial y cinética (energíaexterna) del sistema no cambian, esta ecuación se convierte en: DU = Q - Wo, en forma diferencial, dU = dQ - dWy todo el intercambio de energía con el entorno sirve para cambiar sólo laenergía interna.
  • 19. Formas de intercambio de energía sistema-entornoPara sistemas cerrados, el intercambio de energía sistema-entorno sólo puedeocurrir en dos formas: calor y trabajo.TrabajoEl trabajo en termodinámica siempre representa un intercambio de energíaentre un sistema y su entorno.Cuando un sistema sufre una transformación, este puede provocar cambios en suentorno.Si los cambios implican el desplazamiento (variación) de las fuerzas que ejerceel entorno sobre el sistema, o más precisamente sobre la frontera entre elsistema y el entorno, entonces ha habido producción de trabajo.Dependiendo del origen físico de las fuerzas aplicadas al sistema se distinguendiferentes formas de trabajo realizado.El trabajo tiene dimensiones de energía y representa un intercambio de energíaentre el sistema y su entorno.Por convención se considera que el trabajo realizado por el sistema es positivo yel trabajo efectuado sobre el sistema es negativo.
  • 20. CalorEl calor, al igual que el trabajo, se considera en termodinámica como energíaen tránsito a través de la frontera que separa a un sistema de su entorno .Sin embargo, a diferencia del trabajo, la transferencia de calor se origina poruna diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno y el simplecontacto es el único requisito para que el calor sea transferido por conducción.No se considera el calor que se almacena en un sistema. Cuando se le agregaenergía en forma de calor a un sistema se almacena como energía cinética ypotencial de las partículas microscópicas que lo integran. Las unidades de calorson las de trabajo y energía.La convención de signos utilizada para una cantidad de calor Q es opuesta a laque se utiliza para el trabajo.El calor añadido a un sistema se da con un número positivo, en tanto que elcalor extraído de un sistema se da con un número negativo.
  • 21. PotenciaEj: sacar nieve con una pala o con una maquina quita nieve..El trabajo es el mismo pero la velocidad es distinta, la máquina lo hacemucho más rápido, es decir es más POTENTE. Cuando se realiza una cantidad de trabajo DW en un intervalo de tiempo Dt, la potencia media se define como la velocidad media a la que se realiza el trabajo… Juoles /seg= vatios=W P=DW/Dt P = Fs x Ds/Dt Cuando se aplica una fuerza y hay desplazamiento.
  • 22. Segunda ley de la termodinámica La primera ley es útil para comprender el flujo de energía durante un proceso. Pero no nos dice cuáles de los procesos conservan la energía son posibles, ni nos permite predecir en qué estado se hallará un sistema en determinadas condiciones. Por ej., supongamos que una maquina quema combustible y que el calor producido se suministra a una máquina de vapor. La primera ley dice que el trabajo realizado por la maquina más el calor desprendido por ella al exterior son iguales al calor suministrado , ya que la energía interna de la maquina no varía. No sabemos nada a cerca del rendimiento de la maquina…La segunda ley trata de estudiar el comportamiento más probable de unnúmero de moléculas o partículas…Los sistemas tienden a evolucionar de configuraciones muy ordenadas, altamenteimprobables en la naturaleza, hacia configuraciones más desordenadas, que sonmás probables estadísticamente.
  • 23. Los sistemas tienden a estados de máximo desorden o caos molecular… Entropía Depende solo del sistema y no de qué proceso particular siguió para llegar a ese estado.Si hablamos de Un procesos reversible es aquel en que seentropía tenemos que puede hacer que el sistema vuelva a sudefinir nuevamente estado original sin variación neta delprocesos reversibles e sistema ni del medio ambiente.irreversibles…
  • 24. La mayoría de los procesos naturales son irreversibles… Cuando se transforma calor entre dos objetos de distinta temperaturas, puede hacerse que el calor vuelva al sistema de mayor temperatura, pero esto requiere TRABAJO por parte del medio externo… Es decir el medio externo se tiene qu modificar para poder devolverle el estado inicial al sistema.Definiendo entropía… Si añadimos a un sistema una pequeña cantidad de calor DQ a DS= DQ/T una temperatura Kelvin T durante un proceso reversible, Proceso reversible el cambio de entropía es…
  • 25. La entropía total del sistema más el medio exterior nunca puede disminuir… DS (total)> ó = 0 El desorden molecular de un sistema más el medio es constante si el proceso es reversible y aumenta (DS es +) si el proceso es irreversible…

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