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Termodinámica

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Termodinámica

  1. 1. Principios de la Termodinámica Chaxiraxi María Calcines PadillaTermodinámica - Concepto:La termodinámica es la rama de la física que se dedica al estudio de las relaciones entre elcalor y el resto de las formas de energía. Analiza, por lo tanto, los efectos de los cambios detemperatura, presión, densidad, masa y volumen en los sistemas a nivel macroscópico.La termodinámica surgió como una generalización de los estudios realizados entre la energíamecánica y el calor intercambiados por las máquinas térmicas, y de ahí el nombre de ladisciplina. Sin embargo, poco a poco su campo de aplicación se fue ampliando hasta abarcartodos los procesos en los que exista alguna transformación de energía, sea esta del tipo quesea.Como casi toda la física, esta disciplina se basa en unos principios que no sonmatemáticamente demostrables, pero que sin embargo son generalizaciones de los estudiosexperimentales y nunca se ha visto que fallasen.Para estudiar, pues, la termodinámica, es imprescindible empezar dando algunas definiciones,como por ejemplo cuáles y cómo son los sistemas con los que vamos a tratar y las variables delos que depende.En primer lugar tendremos que delimitar de forma precisa la parte del Universo objeto denuestro estudio, distinguiéndose entre: -Sistema: parte del Universo objeto de estudio. -Alrededores: porción del Universo que no se va a estudiar, pero que puede interaccionar con el sistema. -Pared: separación real o imaginaria entre el sistema y los alrededores.El tipo de pared determina qué tipo de interacción se puede producir entre el sistema y losalrededores. Así las paredes pueden ser:Móvil o rígida, lo que permitirá o no un cambio de volumen del sistema,Permeable, impermeable o semipermeable, lo que permitirá o no el intercambio de materiaentre el sistema y los alrededores.Adiabática o Diatérmica, que permite o impide, respectivamente, mantener una diferencia detemperatura entre el sistema y los alrededores.Principio Cero:El llamado principio cero de la termodinámica, que se explica a continuación, proporciona unadefinición precisa, aunque empírica, de la temperatura.Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Estapropiedad se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una 2 Fundamentos Físicos para la Ingeniería - 1º de Grado Ingeniería Informática
  2. 2. Principios de la Termodinámica Chaxiraxi María Calcines Padillaconsecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que si dossistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estaren equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura.Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito que se encuentra a unatemperatura determinada, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con suentorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste. (El llamado entorno infinitoes una abstracción matemática denominada depósito térmico; en realidad basta con que elentorno sea grande en relación con el sistema estudiado.)La temperatura se mide con dispositivos llamados termómetros. Un termómetro se construyea partir de una sustancia con estados fácilmente identificables y reproducibles, por ejemplo elagua pura y sus puntos de ebullición y congelación en condiciones normales. Si se traza unaescala graduada entre dos de estos estados, la temperatura de cualquier sistema se puededeterminar poniéndolo en contacto térmico con el termómetro, siempre que el sistema seagrande en relación con el termómetro.Sistema TermodinámicoUn sistema termodinámico es una región del universo elegida para el estudio o análisistermodinámico. La región del universo exterior del sistema con la que puede intercambiarenergía, calor o trabajo es llamada ambiente, alrededores o entorno. La frontera (pared) deun sistema es el límite que señala la superficie de contacto que comparten el sistema y elambiente. Se supone idealmente que la frontera tiene un grosor cero por lo que no contiene nimasa ni ocupa ningún volumen en el espacio. La frontera o límite de un sistema puede estarfijo o se puede mover.Un sistema termodinámico puede ser un balón lleno de gas, un matraz con reactivos químicoso una locomotora de vapor o los pistones y cilindros de la máquina.Dependiendo si materia o la energía puede o no pueden abandonar o acceder al sistema, lossistemas termodinámicos pueden ser considerados: Sistema Aislado Un sistema aislado no puede transferir materia ni energía con su entorno. El universo en su totalidad se puede considerar como un sistema aislado. Sistema Cerrado Es una región de masa constante, se denomina masa de control. A través de sus límites sólo se permite la transferencia de energía, pero no de materia. La pared que rodea al sistema es impermeable. 3 Fundamentos Físicos para la Ingeniería - 1º de Grado Ingeniería Informática
  3. 3. Principios de la Termodinámica Chaxiraxi María Calcines PadillaSistema Abierto En un sistema abierto es posible la transferencia de masa y de energía a través de sus límites, la masa contenida en él no es necesariamente constante. Se denomina volumen de control, la superficie limitante, que por lo menos en parte debe ser permeable o imaginaria, se llama superficie de control. Una pared también puede ser semipermeable, si permite el paso sólo de algunas sustancias.Estado Termodinámico, Función de Estado, Variables de Estado .El estado de un sistema queda definido cuando todas las variables termodinámicas tienenvalores fijos. Por lo tanto, las variables termodinámicas son funciones de estado y mientras suvalor no cambie el estado del sistema tampoco, ahora bien cuando una variable cambia elestado del sistema también cambia. El cambio sufrido por el sistema debido a un procesotermodinámico queda definido sólo cuando se indica: • El estado inicial del sistema. • El estado final del sistema. • La trayectoria o camino seguido en el proceso.Las variables termodinámicas o variables de estado son las magnitudes que se emplean paradescribir el estado de un sistema termodinámico. Dependiendo de la naturaleza del sistematermodinámico objeto de estudio, pueden elegirse distintos conjuntos de variablestermodinámicas para describirlo. En el caso de un gas, estas variables son: • Masa (m ó n): es la cantidad de sustancia que tiene el sistema. En el Sistema Internacional se expresa respectivamente en kilogramos (kg) o en número de moles (mol). • Volumen (V): es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. En el Sistema Internacional se expresa en metros cúbicos (m3). Si bien el litro (l) no es una unidad del Sistema Internacional, es ampliamente utilizada. Su conversión a metros cúbicos es: 1 l = 10-3 m3. • Presión (p): Es la fuerza por unidad de área aplicada sobre un cuerpo en la dirección perpendicular a su superficie. En el Sistema Internacional se expresa en pascales (Pa). pascales es: 1 atm ≅ 105 Pa. La atmósfera es una unidad de presión comúnmente utilizada. Su conversión a • Temperatura (T ó t): A nivel microscópico la temperatura de un sistema está relacionada con la energía cinética que tienen las moléculas que lo constituyen. Macroscópicamente, la temperatura es una magnitud que determina el sentido en que se produce el flujo de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto. En el Sistema Internacional se mide en kelvin (K), aunque la escala Celsius se emplea con frecuencia. La conversión entre las dos escalas es: T (K) = t (ºC) + 273.Cuando un sistema se encuentra en equilibrio, las variables termodinámicas están relacionadasmediante una ecuación denominada ecuación de estado. 4 Fundamentos Físicos para la Ingeniería - 1º de Grado Ingeniería Informática
  4. 4. Principios de la Termodinámica Chaxiraxi María Calcines PadillaVariables extensivas e intensivasEn termodinámica, una variable extensiva es una magnitud cuyo valor es proporcional altamaño del sistema que describe. Esta magnitud puede ser expresada como suma de lasmagnitudes de un conjunto de subsistemas que formen el sistema original. Por ejemplo lamasa y el volumen son variables extensivas.Una variable intensiva es aquella cuyo valor no depende del tamaño ni la cantidad de materiadel sistema. Es decir, tiene el mismo valor para un sistema que para cada una de sus partesconsideradas como subsistemas del mismo. La temperatura y la presión son variablesintensivas.Función de estadoUna función de estado es una propiedad de un sistema termodinámico que depende sólo delestado del sistema, y no de la forma en que el sistema llegó a dicho estado. Por ejemplo, laenergía interna y la entropía son funciones de estado.El calor y el trabajo no son funciones de estado, ya que su valor depende del tipo detransformación que experimenta un sistema desde su estado inicial a su estado final.Las funciones de estado pueden verse como propiedades del sistema, mientras que lasfunciones que no son de estado representan procesos en los que las funciones de estadovarían.Transformaciones o Procesos TermodinámicosLa modificación de una de las propiedades o parámetros del sistema, implica un cambio de su“estado” denominado transformación, evolución o proceso.Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica,cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos másimportantes son: • Procesos isotérmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia. • Procesos isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varía. • Procesos isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante. • Procesos adiabáticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.Las transformaciones pueden ser: virtuales, reales, abiertas, cerradas, reversibles eirreversibles. • Transformación virtual: es una transformación compatible con la relación de dependencia que existe entre sus parámetros; es por lo tanto posible de realizar. • Transformación real: es toda transformación que se ejecuta, debe por lo tanto cumplir la condición de virtual. • Transformación abierta: es aquella en que el estado final del sistema es diferente al estado inicial. • Transformación cerrada: es aquella en que el estado final del sistema es el mismo que el estado inicial. (A esta transformación se la denomina ciclo). • Transformación reversible: es una transformación donde el sistema pasa por una sucesión de estados de equilibrio (o que difieren infinitamente poco del estado de 5 Fundamentos Físicos para la Ingeniería - 1º de Grado Ingeniería Informática
  5. 5. Principios de la Termodinámica Chaxiraxi María Calcines Padilla equilibrio) y por lo tanto es posible volver al estado inicial pasando por los mismos estados intermedios anteriores. (También se las llama transformaciones “cuasi estáticas”). • Transformación irreversible: es aquella en la que no es posible volver al estado inicial pasando por los estados intermedios anteriores.Toda transformación real espontánea es irreversible, pudiendo acercarse, pero nunca llegar, auna transformación reversible si la evolución se hace muy lentamente. Esto se debe a que,para realizar una transformación, hay que provocar el desequilibrio de algún parámetro.Diagrama de Clapeyron.Es muy utilizado para la representación de transformaciones de sistemas. Es un diagrama deejes cartesianos ortogonales en el cual, en abscisas se representa el volumen y en ordenadas lapresión. Cada punto de dicho diagrama corresponde a un estado de equilibrio del sistema y,por lo tanto, sólo es posible representar transformaciones reversibles.Principios de Termodinámica:Principio 0: "Equilibrio Termodinámico"Un sistema aislado está en equilibrio cuando sus propiedades macroscópicas (presión,volumen, temperatura) no cambian con el tiempo. En un sistema no aislado deben cumplirsedos condiciones: que las propiedades del sistema no cambien con el tiempo y que cuando elsistema se aísla de los alrededores no sufra variación alguna en sus propiedadestermodinámicas.Un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando se cumplan los siguientes tiposde equilibrios: • Equilibrio mecánico: Todas las partes del sistema se encuentran a la misma presión y esta coincide con la de los alrededores. Tanto las fuerzas externas como internas que actúan sobre el sistema están compensadas. • Equilibrio térmico: Todo el sistema y los alrededores están a la misma temperatura. • Equilibrio material: No existen reacciones químicas o han alcanzado el equilibrio y no se produce flujo neto de materia desde una parte del sistema a otra o entre el sistema y los alrededores.El equilibrio termodinámico puede ser: • Un sistema se encuentra en equilibrio estable, cuando cualquier perturbación desencadena una reacción que se le opone. • Un sistema se encuentra en equilibrio inestable, cuando una perturbación desencadena una reacción en el mismo sentido de la perturbación. • Un sistema se encuentra en equilibrio indiferente, cuando no hay reacción cualquiera sea la perturbación. 6 Fundamentos Físicos para la Ingeniería - 1º de Grado Ingeniería Informática
  6. 6. Principios de la Termodinámica Chaxiraxi María Calcines PadillaEjemplo práctico:Cuando un objeto está en equilibrio térmico, la temperatura debe ser la misma. El ejemplo dela bebida tibia es un ejemplo de un sistema alcance el equilibrio térmico. Cuando un objeto sepone en contacto térmico con otro objeto, como el aire, el calor pasará de mayorconcentración a menor concentración-es decir, de caliente a frío. Por cierto, esto significa queel hielo no se enfría de una bebida, sino más bien la bebida se calienta el hielo. El calor seguirápara pasar de la concentración de mayor a menor hasta que ambos objetos están a la mismatemperatura y se alcanza el equilibrio térmico.Principio 1: "Conservación de la Energía"Un sistema termodinámico puedeintercambiar energía con su entorno enforma de trabajo y de calor, y acumulaenergía en forma de energía interna. Larelación entre estas tres magnitudesviene dada por el principio deconservación de la energía.Para establecer el principio deconservación de la energía retomamos laecuación estudiada en la página dedicada al estudio de sistemas de partículas que relaciona eltrabajo de las fuerzas externas (Wext) y la variación de energía propia (ΔU) :Nombramos igual a la energía propia que a la energía interna porque coinciden, ya que noestamos considerando la traslación del centro de masas del sistema (energía cinética orbital).Por otra parte, el trabajo de las fuerzas externas es el mismo que el realizado por el gas perocambiado de signo: si el gas se expande realiza un trabajo (W) positivo, en contra de lasfuerzas externas, que realizan un trabajo negativo; y a la inversa en el caso de una compresión.Además, ahora tenemos otra forma de suministrar energía a un sistema que es en forma decalor (Q).Luego la expresión final queda:Este enunciado del principio de conservación de la energía aplicado a sistemastermodinámicos se conoce como Primer Principio de la Termodinámica. 7 Fundamentos Físicos para la Ingeniería - 1º de Grado Ingeniería Informática
  7. 7. Principios de la Termodinámica Chaxiraxi María Calcines PadillaEjemplo Práctico:Un recipiente provisto de un pistón contiene un gas ideal que se encuentra en un cierto estadoA. Cuando desde el exterior se le suministra calor al gas (Q>0) su temperatura aumenta ysegún la Ley de Joule, su energía interna también (UB>UA). El gas se expande por lo que realizaun trabajo positivo. El primer principio nos da la relación que deben cumplir estas magnitudes:Si el recipiente tuviera paredes fijas, el gas no podría realizar trabajo, por lo que el calorsuministrado se invertiría íntegramente en aumentar la energía interna. Si el recipienteestuviera aislado térmicamente del exterior (Q=0) el gas al expandirse realizaría un trabajo acosta de su energía interna, y en consecuencia esta última disminuiría (el gas se enfriaría).Principio 2: "Concepto de Entropía"Entropía es una medida de cuánta energía o calor es inalcanzable para su conversión entrabajo. La entropía, al igual que la energía térmica, está contenida en el objeto. Si aumenta elcalor de un objeto, aumenta su entropía. Si el calor disminuye, la entropía es menor. Sinembargo, si un objeto realiza trabajo sin cambio de temperatura, la entropía no cambia si sedesprecia el rozamiento.Es la más universal de las leyes físicas. En su interpretación más general, establece que cadainstante el Universo se hace más desordenado. Hay un deterioro general pero inexorable haciael caos. Uno de los patrones fundamentales de comportamiento que encontramos en elmundo físico es la tendencia de las cosas a desgastarse y agotarse. Las cosas tienden, para usarun término especializado, hacia un estado de equilibrio termodinámico. En todas partespodemos encontrar ejemplos de la Segunda Ley de la Termodinámica . Los edificios sederrumban, la gente envejece, las montañas y las costas se erosionan, los recursos naturales seagotan. Los científicos han inventado una magnitud matemática, la entropía, para cuantificarel desorden.La cantidad perdida no permanece solo como calor, sino que se convierte en calor a unamenor temperatura, del cual solo se puede transformar en otras formas de energía unapequeña cantidad. Se podrían solucionar todos los problemas de energía de la humanidad si,por ejemplo, se pudiera extraer la energía calorífica de los océanos, dejándolos ligeramentemás fríos y convirtiendo el calor extraído en electricidad, pero la 2ª ley nos dice que eso no esposible. 8 Fundamentos Físicos para la Ingeniería - 1º de Grado Ingeniería Informática
  8. 8. Principios de la Termodinámica Chaxiraxi María Calcines PadillaDefinición de Clausius de la segunda ley: El calor no puede, por sí mismo, pasar de un cuerpomás frío a uno más caliente.Definición de Kelvin-Planck de la segunda ley: Es imposible para un sistema experimentar unproceso cíclico cuyo único resultado sea la absorción de calor de un único depósito a una únicatemperatura y la transformación en una cantidad equivalente de trabajo.Ejemplo práctico:Todos hemos visto alguna vez un plato que se cae desde una mesa y se hace añicos contra elsuelo. Lo que antes estaba ordenado en una única pieza de porcelana, se convierte en unamultitud de fragmentos desordenados. Pero la situación contraria, la recomposición de unplato a partir de sus fragmentos de manera espontánea, al menos que se sepa, no la ha vistonadie.La ruptura del plato es un suceso natural e irreversible, una secuencia temporal adecuada; surecomposición, en cambio, no lo es. Es la evolución natural del orden al desorden o, entérminos científicos, la natural tendencia del Universo a aumentar su entropía.Principio 3: "Temperatura Absoluta"La Temperatura absoluta es el valor de la temperatura medida con respecto a una escala quecomienza en el cero absoluto (0 K ó −273,15 °C). Se trata de uno de los principales parámetrosempleados en termodinámica y mecánica estadística. En el Sistema Internacional de Unidadesse expresa en kelvin, cuyo símbolo es K.[1La Tercera de las leyes de la termodinámica, propuesta por Walther Nernst, afirma que esimposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito deprocesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado seaproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía delos sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al ceroabsoluto. No es una noción exigida por la Termodinámica clásica, así que es probablementeinapropiado tratarlo de “ley”.Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólogeneralizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos, peroinaplicables a nivel cuántico. El demonio de Maxwell ejemplifica cómo puede concebirse unsistema cuántico que rompa las leyes de la Termodinámica.Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la energía, es la mássólida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por las ciencias.Ejemplo Práctico:Por ejemplo, las moléculas de un cuerpo en estado de agitación extrema registran unatemperatura alta y en estado de agitación menor, una temperatura baja.De esto se deduce que debe existir un estado en el que las moléculas cesan de moverse y, enconsecuencia, no poseen calor. A este punto se le conoce como "temperatura absoluta" en laescala de Kelvin. Corresponde a 273 grados bajo cero en la escala centígrado. 9 Fundamentos Físicos para la Ingeniería - 1º de Grado Ingeniería Informática

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