Fisica - Curso de Termodinamica

Autor : Juan Aunin. Ingeniero Industrial URL:http://www.termo.cjb.net

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Lecciones de TERMODINMICA

Tema 1. Trabajo

Tabla de contenido0. Definiciones_________________________________________________________________ 4 0.1 Introduccin ______________________________________________________________ 4 0.2 Sistema, entorno y universo _________________________________________________ 4 0.3 Tipos de sistemas _________________________________________________________ 5 0.4 Sistema termodinmico _____________________________________________________ 5 0.5 Estados inicial, final y transformaciones infinitesimal ______________________________ 6 0.6 Equilibrio termodinmico y reversibilidad________________________________________ 6 1. Trabajo ____________________________________________________________________ 7 1.1 Introduccin ______________________________________________________________ 7 1.2 Signo del trabajo __________________________________________________________ 8 1.3 Trabajos de variacin de volumen _____________________________________________ 9 2. Principio Cero ______________________________________________________________ 11 2.1 Enunciado del principio cero ________________________________________________ 11 2.2 Isotermas y temperatura ___________________________________________________ 11 2.3 Termometra ____________________________________________________________ 13 2.4 Coeficientes trmicos de un sistema homogneo ________________________________ 13 3. Primer Principio _____________________________________________________________ 15 3.1 Introduccin _____________________________________________________________ 15 3.2 Enunciado del primer principio_______________________________________________ 16 3.3 Capacidades calorficas____________________________________________________ 17 3.4 Ecuaciones de la energa interna ____________________________________________ 18




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4. Segundo Principio ___________________________________________________________ 22 4.1 Enunciados del segundo principio ____________________________________________ 22 4.2 Teorema de Carnot _______________________________________________________ 23 4.3 Teorema de Kelvin y teorema de Clausius _____________________________________ 24 4.4 Definicin de entropa _____________________________________________________ 25 4.5 Ecuaciones de la entropa __________________________________________________ 27 4.6 Exerga ________________________________________________________________ 28 5. Potenciales Termodinmicos __________________________________________________ 29




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0. Definiciones0.1 IntroduccinLa termodinmica se ocupa de la energa y sus transformaciones desde un punto de vista macroscpico. Sus leyes son restricciones generales que la naturaleza impone a todas esas transformaciones. La termodinmica es una teora de gran generalidad, centrada principalmente en las propiedades trmicas de la materia, de manera que en este estudio de la termodinmica se idealizarn los sistemas para que sus propiedades mecnicas y elctricas sean lo ms sencillas posible. Cuando el contenido esencial de la termodinmica haya sido desarrollado, ser una cuestin simple extender el anlisis a sistemas con estructuras mecnicas y elctricas relativamente complejas. Este curso se centra en sistemas simples, definidos como sistemas macroscpicos, homogneos, istropos, y desprovistos de carga elctrica, que sean lo suficientemente grandes para que los efectos de frontera puedan ser ignorados, y que no se encuentran bajo la accin de campos elctricos, magnticos o gravitacionales. El sistema termodinmico ms simple se compone de una masa constante de un fluido istropo puro en el que no existen por reacciones qumicas o campos externos. Tales sistemas se caracterizan por tres variables: presin P, volumen V y temperatura T y llamndose sistemas PVT.

0.2 Sistema, entorno y universoUn sistema puede ser cualquier objeto, masa, regin del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo dems, que pasa a ser el entorno del sistema. El sistema y su entorno forman el universo. La distincin entre sistema y entorno es arbitraria: el sistema es lo que el observador ha escogido para estudiar. La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa del entorno se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para: a) aislar el sistema de su entorno o para b) permitir la interaccin de un modo especfico entre el sistema y su ambiente.




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0.3 Tipos de sistemasUn sistema aislado es aquel que no puede intercambiar materia ni energa con su entorno. Un sistema cerrado es aquel que slo puede intercambiar energa con su entorno, pero no materia. Un sistema abierto es aquel que puede intercambiar materia y energa con su entorno.

0.4 Sistema termodinmicoUn sistema termodinmico es un sistema macroscpico cuyas caractersticas microscpicas (la posicin y la velocidad de las partculas en cada instante) es inaccesible y donde slo son accesibles sus caractersticas estadsticas. El estado de un sistema representa la totalidad de las propiedades macroscpicas asociadas con l. Cualquier sistema que muestre un conjunto de variables identificables tiene un estado termodinmico, ya sea que est o no en equilibrio




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0.5 Estados inicial, final y transformaciones infinitesimalSe dice que ocurre una transformacin en un sistema si, como mnimo, cambia de valor una variable de estado dentro del mismo a lo largo del tiempo. Si el estado inicial es distinto del estado final, la transformacin es abierta. Si los estados inicial y final son iguales, la transformacin es cerrada. Si el estado final es muy prximo al estado inicial, la transformacin es infinitesimal. El inters de la termodinmica se centra en los estados inicial y final de las transformaciones, independientemente del camino seguido. Eso es posible gracias a las funciones de estado.

0.6 Equilibrio termodinmico y reversibilidadLas propiedades termodinmicas de un sistema vienen dadas por los atributos fsicos macroscpicos observables en l, mediante la observacin directa o mediante algn instrumento de medida. De esta forma se puede decir:

Que un sistema est en equilibrio termodinmico cuando no se observa ningn cambio en sus propiedades termodinmicas a lo largo del tiempo. Que un estado de no equilibrio es un estado con intercambios netos de masa o energa y en el que sus parmetros caractersticos dependen en general de la posicin y del tiempo. Si no dependen de este ltimo, necesitan la intervencin del entorno para mantener sus valores (estado estacionario fuera del equilibrio) Un proceso es reversible si su direccin puede invertirse en cualquier punto mediante un cambio infinitesimal en las condiciones externas. Para los procesos reversibles es posible basar los clculos en las propiedades del sistema (con independencia de los del entorno). Una transformacin es reversible si se realiza mediante una sucesin de estados de equilibrio del sistema con su entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino. Reversibilidad y equilibrio son, por tanto, equivalentes. Si una transformacin no cumple estas condiciones se llama irreversible.




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1. Trabajo1.1 IntroduccinLos sistemas termodinmicos se consideran desde el exterior, por lo tanto el trabajo est asociado a las fuerzas exteriores. El trabajo tiene dimensiones de energa y representa un intercambio de energa entre el sistema y su entorno. Dependiendo del origen fsico de las fuerzas aplicadas al sistema se distinguen diferentes formas de trabajo: trabajo mecnico, elctrico, etc. El trabajo mecnico se da cuando una fuerza que acta sobre el sistema hace que ste se mueva una cierta distancia. Este trabajo se define por W = Fdl , donde F es la componente de la fuerza externa que acta en la direccin del desplazamiento dl. En forma diferencial esta ecuacin se escribe: W = Fdl. La convencin de signos usada en este curso es la que establece que el valor de W es positivo cuando el trabajo se realiza sobre el sistema y negativo cuando es el sistema el que acta sobre el entorno. Aunque hay que aclarar que es un convenio arbitrario y que podra ser el contrario, es decir cambiar los signos con respecto al convenio usado.




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1.2 Signo del trabajoPremisasProducto escalar: Negativo porque el sentido de la fuerza y el desplazamiento son distintos. W = Fext dl = = - |Fext| |dl| = - Fext dl = = - Pext A dl = - Pext dV

Trabajo

Expansin

Diferencial de volumen: Positivo porque en una expansin aumenta el volumen. A |dl|= dV>0 Producto escalar: Positivo porque el sentido de la fuerza y el desplazamiento son iguales.

W = - Pext dV

W = Fext dl = = |Fext| |dl| = Fext dl = = Pext A dl = - Pext dV

Compresin

Diferencial de volumen: Negativo porque en una compresin disminuye el volumen. - A |dl|= dV

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