1º BTO

Ciencia que estudia las transferencias energéticas y sus efectos sobre la materia

SISTEMA TERMODINÁMICO

VARIABLES TERMODINÁMICAS

(macroscópicas)

Se describen mediante

Volumen, presión, temperatura, densidad, cantidad de sustancia…

Se relacionan entre sí mediante las ecuaciones de estado

Ej.: PV = nRT

Son el resultado de los promedios de los estados y movimientos de las partículas

microscópicas que forman la materia

TEORÍA CINÉTICO – MOLECULAR DE LA

MATERIA

Se pueden explicar a través de

MATERIA FORMADA POR PARTÍCULAS EN CONTÍNUO

MOVIMIENTO

ENERGIA INTERNA

SUMA DE LAS ENERGÍAS DE LAS PARTÍCULAS QUE

LO FORMAN

Explicación desde la TCM (punto de vista microscópico)

E. CINÉTICA asociada a su movimiento interno

Gas idealAquel en el que sus

partículas se consideran puntuales

y que no interaccionan entre sí. Toda la

energía interna del gas es ENERGÍA CINÉTICA

E. POTENCIAL debida a las interacciones entre partículas

Es una MAGNITUD EXTENSIVA (depende

del conjunto de las partículas)

2. EQUILIBRIO TÉRMICO Y TEMPERATURA

PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA

Si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico con un tercer

sistema C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí.

Hay una magnitud escalar, llamada TEMPERATURA, tal que la igualdad de

las temperaturas de sistemas termodinámicos

SISTEMAS EN EQUILIBRIO

2. EQUILIBRIO TÉRMICO Y TEMPERATURA

MEDIDA DE LA TEMPERATURA

Se elige un cuerpo llamado TERMÓMETRO, con una determinada propiedad termométrica

Se fijan arbitrariamente los valores de la temperatura de dos estados reproducibles de alguna sustancia PUNTOS FIJOS

ESCALA CELSIUSPropiedad termométrica: longitud de una columna de mercurio

Puntos fijos: Fusión del hielo a 1 atm (0ºC) y ebullición del agua a 1 atm (100ºC)

Termómetro de referencia o patrón: TERMÓMETRO DE GAS A VOLUMEN CONSTANTE. (Escala absoluta)

Las dos escalas se relacionan T(K) = T(ºC) + 273,15

Ej.: 13, 18 y 19

2. EQUILIBRIO TÉRMICO Y TEMPERATURA

En un gas real, un líquido o un sólido la ENERGÍA INTERNA

ENERGÍA INTERNA no solo depende de la TEMPERATURA

Pero en todos los sistemas la temperatura es un indicador de la energía de las partículas

Ej.: 20 y 24

CALOR: Forma de transferencia de energía entre

cuerpos debido a su diferencia de temperaturas. (Del

de mayor al de menor T hasta que se alcanza el

EQUILIBRIO TÉRMICO)

UNIDADES:

Julio (J) (Sistema

Internacional)

Caloría (cal) (1J = 0,24 cal)

CRITERIO DE SIGNOS

Calor cedido < 0

Calor ganado > 0

PROPAGACIÓN DE LA ENERGÍA TÉRMICA

CONDUCCIÓN

En sólidos

Mediante choques que transfieren Ec sin variar posiciones relativas de

las partículas

CONVECCIÓN

En líquidos y gases

Calentamiento disminución de la densidad ascensión del fluido

Corrientes de convección igualan la T del fluido

RADIACIÓN

No se necesita medio material

Mediante ondas electromagnéticas (Sol, lámparas…)

EFECTOS DEL CALOR

VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA

Para que un cuerpo de masa m experimente una variación de

temperatura ∆T, debe intercambiar una cantidad de energía Q

Q = mc∆T CALOR ESPECÍFICO: energía necesaria para aumentar en un grado la

temperatura de la unidad de masa de una sustancia (J/kg∙K ó J/kg∙ºC)

Varía según el rango de temperaturas en el que se produce el

intercambio de calor

Varía según se produzca a presión o a volumen constantes (Esto en

gases).

EFECTOS DEL CALOR

DILATACIÓN TÉRMICA

Aumento de las dimensiones de los cuerpos al incrementar su

temperatura

SÓLIDOS

o Dilatación lineal l = lo (1 + λ ∙ ∆T)

o Dilatación superficial S = So (1 + β ∙ ∆T) β =

2 λ

o Dilatación cúbica V = Vo (1 + γ ∙ ∆T) γ=

3 λ

LÍQUIDOS

o Solo tienen dilatación cúbica.

o Coeficiente de dilatación K (100 veces mayor que en los

sólidos)

GASES

o El coeficiente de dilatación depende del tipo de proceso (por ser

muy compresibles.

o En un proceso a presión constante V = Vo (1 + γ ∙ ∆T) ; γ=

1/273 ºC-1

Ej.: 21, 22, 25-28, 30,

32-35

EFECTOS DEL CALOR

CAMBIOS DE ESTADO DE AGREGACIÓN

De un estado a otro más compacto por cesión de E

térmica

De un estado a otro con las partículas menos ligadas

por absorción de E térmica

Durante el cambio de estado, la temperatura

permanece constante y depende de la presión a la que se

encuentre la sustancia.

El calor intercambiado depende de la masa de la

sustancia y del calor intercambiado por unidad de masa

(Calor latente o ENTALPÍA de fusión, de condensación, de

vaporización…)

Q = m L El calor de un cambio de estado es igual al del cambio

de estado inverso (con signos opuestos)

TRABAJO: forma de transferir energía de un sistema a otro

mediante la acción de fuerzas aplicadas. Su valor

numérico se calcula a partir del producto de la fuerza por

el desplazamiento del cuerpo en la dirección de la fuerza.

TRABAJO DE EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN DE UN GAS.

Tenemos un GAS en un RECIPIENTE con ÉMBOLO aislado por paredes ADIABÁTICAS.

Si variamos las condiciones del gas, evolucionará hacia una nueva situación de equilibrio.

a)P , y se expande. Parte de la U se convierte en W para elevar el

émbolo T b)P y se comprime. El W realizado sobre el gas, le da energía U

T

Cambian las tres variables.

TRABAJO DE EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN DE UN GAS.

Tenemos un GAS en un RECIPIENTE con ÉMBOLO y paredes DIATÉRMANAS. Mantenemos su PRESIÓN CONSTANTE.

Para variar el VOLUMEN del gas, tendremos que variar la TEMPERATURA.

W = F ∙ ∆y = p ∙ S ∙ ∆y = p ∙ ∆V

a)Compresión W sobre el sistema W > 0b)Expansión el sistema realiza un W W < 0

Ej.: 38,40, 41, 45, 46

DIAGRAMA PRESIÓN - VOLUMEN

Si la presión no es constante NO se puede calcular el W = p ∙ ∆V

Si la evolución de la presión es lenta, se pueden representar los estados de equilibrio por los que pasa el sistema.

El W es el área bajo la curva que representa un proceso termodinámico en un diagrama presión – volumen.

Por convenio: a)Compresión W sobre el sistema W > 0 Sistema recibe energíab)Expansión el sistema realiza un W W < 0 Sistema transfiere energía

Ej. 48, 52 y resuelto B

La Energía del conjunto formado por el sistema y su medio siempre se conserva.

La Energía de todo sistema termodinámico es la suma de su Energía Interna y la Energía Mecánica macroscópica

Esistema = U + Em

Em = Ec macroscópica + Ep debida a la posición del centro de masas

La E ganada por el sistema en un proceso = E perdida por el medio

Ep

EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR

Calor: Energía transferida en un proceso como consecuencia de la diferencia de temperatura.

JOULE midió el aumento de temperatura en una masa de agua aislada térmicamente al agitarla con unas paletas.

La Ep del cuerpo se transfiere al agua y su temperatura aumenta.

Equivalente Mecánico del Calor: Cantidad de Energía Mecánica para elevar 1 ºC la temperatura de 1 g de agua.

1 cal = 4,18 J

Ej. 51Ej. 51

Ep

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

En sistemas en los que la Energía Macroscópica no varía, el principio de conservación de la energía se puede expresar:

“La variación de Energía Interna, ΔU, de un sistema siempre es igual a la suma de la energía que intercambia con su entorno mediante calor y trabajo.”

ΔU = Q + W

Los valores de Q y W obtenidos dependen del proceso seguido desde el estado inicial al final pero la variación de U es independiente del proceso seguido (solo depende de los estados inicial y final). La U es una FUNCIÓN DE ESTADO Ej. C

resuelto, 48, 52, 55, 58

Ep

APLICACIONES DEL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

Aplicación a un GAS IDEAL (Sistema p-V el W viene dado por compresión y Expansión)

CÁLCULO DE ΔU: -U solo depende de la T y, por ser FUNCIÓN DE ESTADO, de la ΔT-Se puede calcular ΔU si une dos estados a la misma T que el proceso dado.-Proceso isocórico : Trabajo nulo y el Q se calcula

Q = mCv ΔT

Ep

APLICACIONES DEL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

Aplicación a un GAS IDEAL (Sistema p-V el W viene dado por compresión y Expansión)

CÁLCULO DE Q: -Directamente en procesos

- ADIABÁTICOS (Q=0)- ISOCÓRICOS ( Q=mcvΔT)- ISOBÁRICOS ( Q=mcp ΔT)- Resto de procesos PRIMER PRINCIPIO

CÁLCULO DE W: -Directamente en procesos

- ISOCÓRICOS ( W=0)- ISOBÁRICOS ( W=pΔV)- Resto de procesos PRIMER PRINCIPIO

VER TABLA PÁGINA 123 Y EJEMPLO.