CAPÍTULO

Termodinámica Definiciones Fundamentales

INTRODUCCIÓN

THERMO = CALOR y DYNAMICS = MOVIMIENTO

TERMO = CALOR = Q= DT

DINÁMICA = MOVIMIENTO = W

LA TERMODINÁMICA ESTUDIA TODO LO RELACIONADO CON EL CALOR O SE MUEVE....O SEA CASI TODOS LOS SERES VIVIENTES Y LAS MÁQUINAS !!!

INDICE

5.1 Concepto de Sistema y Volumen de Control

5.2 Portador de energía

5.3 Fases

-Sólidos

-Líquidos

-Gases

5.4 Propiedades

-Sustancia pura

-Densidad

5.5 Cambio de Estado

5.6 Equilibrio Termodinámico

-Proceso

-Ciclo

5.7 FORMULARIO

Definiciones Fundamentales

El estudio de la Termodinámica requiere conceptos claros y comunicación precisa de ideas. Con tal proceso se ha desarrollado un lenguaje bastante específico. A continuación se ofrece un vocabulario para los que se inician en el estudio de la Termodinámica.

2.1 Concepto de Sistema y Volumen de Control

MASA DE CONTROL (MC)

No existe intercambio de masa entre el sistema y los alrededores

Sistema : Masa de Control Fuera del sistema: Alrededores o medio externo Separación entre Sistema y a alrededores: Límite o Frontera

m constante

VOLUMEN DE CONTROL ó SISTEMA ABIERTO

-Existe intercambio de masa y energía a través de la S.C

m varía

-Volumen limitado por la superficie de control (SC) (límite en el V.C)

“SE DEFINE UNA MASA DE CONTROL CUANDO EL ANÁLISIS SE REFIERE A UNA CANTIDAD DE MASA Y UN VOLUMEN DE CONTROL CUANDO EL ANÁLISIS INVOLUCRA FLUJO DE MASA”

SISTEMA AISLADO

Es aquel que no es influenciado por el medio externo, es decir aquel en que no existe ninguna forma de energía ni masa que cruce el límite del sistema.

Q = 0 , W = 0 , Dm = 0

SISTEMA ADIABÁTICO(AISLADO TÉRMICAMENTE)

Q = 0 Con el

ambiente !!

Es aquel en que no existe TRANSFERENCIA DE CALOR a través de sus límites con el medio ambiente; pero puede hacer trabajo.

Ej. Caldera, condensador, turbina, termo doméstico.

Este sistema puede ser adiabático aunque reciba calor internamente (resistencias eléctricas)...la idea es que no salga calor al AMBIENTE

SISTEMAS HOMOGÉNEOS: Son sistemas o volúmenes de control en que las componentes y las fases están uniformemente distribuidas, en el volumen que ocupa el sistema o volumen de control, es decir las propiedades físicas y químicas de la materia son iguales en todo el sistema o VC. Todo sistema homogéneo consta de una sola fase.

SISTEMAS HETEROGÉNEOS:

Son sistemas o VC, en que los componentes y

las fases no están distribuidas uniformemente,

consta de dos o más fases de una materia en

que la composición química permanece igual.

5.2 PORTADOR DE ENERGÍA (SUSTANCIA DE TRABAJO)

Flujo en el cual se almacena y se extrae energía

FUENTE MATERIAL CRUDO EJEMPLOS DE USO

Aire Gases como el oxígeno, nitrógeno, neón. Letreros de Neón.

Agua Sal, gas hidrógeno, disolventes químicos. Agua para beber.

Rocas Metales, minerales. Joyas.

Cosas Vivientes Enzimas, madera. Alimentos.

Combustibles fósiles Aceite, gas natural. Plásticos.

Combustible Fósil Oxígeno Cosas Vivientes (Bio-)

5.3 FASE

Cantidad de sustancia de composición química y estructura física totalmente homogénea. Toda sustancia pura puede existir en tres fases: sólido, líquido y gaseoso.

Líquido

Gaseoso

Sólido

SÓLIDOS:

En los sólidos la cohesión domina claramente sobre la dispersión (EK < EP). Como consecuencia, las partículas se mantienen fijas en una estructura ordenada y rígida, es decir, en una red cristalina.

Sus partículas sólo pueden vibrar con pequeña amplitud, no se trasladan y mantienen su forma y volumen

En algunos sólidos, donde las uniones son más débiles, las partículas pueden escapar con mayor facilidad, especialmente si aumenta la temperatura; en estas condiciones el sólido sublima, como es el caso del yodo o la naftalina utilizada para la protección de prendas de vestir.

la naftalina pasa de sólido a gas sin pasar por líquido !!!

Sólidos amórfos Hay sustancias que son aparentemente como el resto de los sólidos, es decir tienen forma y volumen constante y no fluyen. Sin embargo, su estructura interna no está formada por una red cristalina, sino que las partículas se distribuyen de forma irregular, como ocurre en los líquidos, pero sin capacidad de trasladarse. Son los sólidos amorfos. Ej. Plastelina.

Curva de fusión de un sólido cristalino. Curva de reblandecimiento de un sólido amorfo.

LÍQUIDOS:

En los líquidos hay cierto equilibrio entre cohesión y dispersión (EK < EP). Como consecuencia las partículas ya no están fijas , sino que pueden trasladarse pero todas juntas.

-En los líquidos el volumen es constante. -La densidad es casi la misma que de los sólidos. -Adopta la forma del recipiente que lo contiene

El paso de un líquido a la fase gaseosa recibe el nombre general de vaporización. La evaporización que es un fenómeno superficial que se produce a cualquier temperatura. La ebullición que sucede en toda la masa del líquido y a una temperatura fija para una presión dada.

Evaporación: Las partículas que se encuentran en la superficie libre del líquido, aproximadamente horizontal, tienen la posibilidad de escapar de él, si consiguen vencer la atracción del resto. Las moléculas superficiales que sean “rápidas” conseguirán escapar del líquido, pasando al estado gaseoso. Se llama Presión de Vapor a la presión de gas en equilibrio con líquido. Lo estudiaremos en el Cap. Aire Acondicionado.

Mayor evaporación a mayor: -Superficie, ya que aumenta el n° de moléculas con capacidad de escapar. -Temperatura, ya que las moléculas tienen más Energía Cinética. -Renovación de aire, ya que se arrastran las moléculas evaporadas.

Ebullición: Cuando un líquido hierve se pueden observar burbujas que nacen en su interior y ascienden. Si estas burbujas no se distribuyen es porque se equilibra la presión en su interior con la presión exterior. La presión en el interior de la burbuja gaseosa es la presión de vapor a la temperatura a la que se encuentra el líquido, mientras que la presión exterior es la atmosférica. En consecuencia, un líquido hierve cuando la presión de vapor se equilibra con la presión externa.

Cristales líquidos:

Hay también ciertos materiales que se caracterizan por tener, aparentemente, dos puntos de fusión. En el primero, el sólido funde a una especie de líquido traslúcido y, a otra temperatura superior, se clarifica, adquiriendo el aspecto de un líquido.

Estas sustancias responden a estímulos exteriores, como presión, diferencia de potencial, etc., presentando cierta propiedad óptica; es esa cualidad la que ha popularizado estos materiales. En resumen, estas sustancias son líquidos con algunas propiedades de los sólidos.

Los cristales líquidos son hoy populares porque con ellos se fabrican las pantallas LCD (Liquid Crystal Display ó Indicadores de Cristal Líquido)

Pantallas Líquidas

El H2O se comporta diferente que los demás....quién lo entiende ?

Si calientas el agua de 0oC a 4oC éste se vuelve pequeño y luego vuelve a hacerse grande como los demás líquidos

¿Cómo pueden vivir los peces abajo?

El agua es más densa a los 4°C

GASES:

La fase gaseosa es la más sencilla de estudiar y, en consecuencia, el primero del que se obtuvieron leyes empíricas. Todos los gases son reales sin embargo pueden comportarse como ideales cuando la presión es bastante baja.

Teoría cinética:

-Las moléculas se mueven al azar con absoluta libertad. -Se encuentran muy alejadas entre si. -Las moléculas chocan elásticamente entre sí y con las paredes del recipiente. El continuo choque contra las paredes de dicho recipiente genera una fuerza media entre ellas que es el origen de la presión. Un gas se considera ideal cuando cumple todas estas condiciones, lo que exige que la presión sea muy baja.

En realidad soy líquido adentro y me convierto en gas cuando salgo, debido a la baja presión de la atmósfera

2

2mcEK

Energía Cinética:

-Para calcularla se recurre a la estadística. -La energía cinética tiene un origen térmico. -A la temperatura del 0 absoluto ya no hay movimiento. -Esta Temperatura es asintótica

T: baja V(medio): baja T: alta V(medio): alta

Adios Mundo Cruel... Nada se mueve en mi.

5.4 PROPIEDADES

-Son parámetros que definen el estado en que se encuentra una sustancia, una MC o un VC. -Una propiedad es una característica propia de todo el sistema y no depende de la manera que un sistema cambia de estado sino únicamente de una condición de estado final; es decir, que si el sistema pasa de un estado a otro la propiedad tiene que depender únicamente del estado y no de los cambios que haya experimentado de pasar de una condición a otra. -La propiedad únicamente estará definida cuando sea uniforme en todo el sistema y el mismo se hallará entonces en equilibrio con respecto a cada propiedad.

Las propiedades describen un estado cuando el sistema está en equilibrio termodinámico.

Clasificación:

Propiedad interna o termostática:

Se limita a las características de la estructura química o física

de la materia que se presenta en los sistemas en equilibrio. Ej.

Presión, temperatura.

Propiedad externa o mecánica:

Es una característica del movimiento del sistema o de su

posición respecto a un marco de referencia en un campo

gravitatorio. Ej. Velocidad, altura.

Otra clasificación: Propiedad Intensiva: Son aquellas propiedades independientes de la magnitud de la masa considerada; no varían con una partición imaginaria del sistema. Se les representa con letras minúsculas a excepción de la temperatura. Ejemplo: h,u,v,s,d Propiedad extensiva: Son aquellas propiedades que dependen de la masa considerada, varían con una participación imaginaria del sistema. Se les representa con letra mayúscula. Ejemplo: H,U,V,S

no dependen de nadie

éstas dependen de la masa

Bastan dos propiedades termostáticas, intensivas e

independientes entre sí, para determinar el estado de una

sustancia pura.

SUSTANCIA PURA

Se define como aquella que tiene una composición química homogénea e invariable que puede existir en más de una fase. Ej. El agua.

H2O H2O H2O

A continuación enunciaremos algunas propiedades que definen una sustancia, como por ejemplo: DENSIDAD Es el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.

V

m

v

1

1 m3 de acero

masa = 8000 kg

densidad = 8000 kg/m3

1 m3 de madera

masa = 700 kg

densidad = 700 kg/m3

Algunas otras propiedades

-Si es sólida: Fragilidad Tenacidad Elasticidad Dureza -Si es líquida: Viscosidad Inflamable

Propiedades físicas relevantes: Se pueden clasificar principalmente en: Mecánicas, térmicas, ópticas, eléctricas y magnéticas. Las propiedades físicas varían significativamente de unas sustancias a otras. Entre las más importantes encontramos: Punto de fusión, punto de ebullición, calor latente de fusión, calor latente de vaporización (en el punto de ebullición), calor específico y densidad.

Propiedades Químicas: Cuando las sustancias interaccionan entre si pueden dar lugar a otras sustancias con propiedades completamente diferentes.

5.2 CAMBIO DE ESTADO

ESTADO -Es una condición determinada de la sustancia definida en función de características denominadas propiedades. -El estado de una sustancia describe por completo la forma en que existe dicha materia. -El agua es una sustancia natural que aparece en forma sólida, líquida y gaseosa (fases).

Sólido Líquido Gaseoso

No sólo es propiedad exclusiva del agua el estar en varios estados sino también de otras sustancias como el dióxido de carbono Cuando una sustancia pasa de un estado a otro, el fenómeno se llama cambio de estado.

Sólido Líquido Gas

1. Fusión. 4. Licuefacción 2. Solidificación 5. Sublimación 3. Vaporización 6. Condensación.

1

2

3

4

5

6

Evaporación: fenómeno superficial se produce a cualquier temperatura

Condensación: Las moléculas lentas pasan de la fase gaseosa a la líquida.

ESTA ES LA LINEA PARA LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA PV EN LIMA

En el Cusco donde la presión es menor el agua hervirá a menor temperatura

CAMBIOS DE ESTADO DEL AGUA

Calor

latente QL Calor

sensible Qs

Al aporte de energía para verificar el cambio de estado se le llama calor latente (QL) de fusión. Si el cambio de fase corresponde al paso de líquido a gas, el aporte específico de energía se llama calor latente de vaporización. En ambos casos, el calor latente es proporcional a la masa de la sustancia. Cada sustancia pura tiene un calor latente de fusión y de vaporización.

es como quemar unos

340 fósforos

calor latente de fusión

calor latente de vaporización

es como

quemar unos

2,300

fosforitos

Al aporte de energía para elevar la temperatura de una sustancia se le denomina calor sensible (Qs)

GAS IDEAL: Sustancia pura en el estado gaseoso. Ecuación de estado:

mRTPV RTPv

El vapor no se considera como gas ideal, sólo a determinadas condiciones de P y T.

5.6 EQUILIBRIO TERMODINÁMICO

El Equilibrio Termodinámico de un Sistema implica fundamentalmente: -Equilibrio Mecánico: igualdad de fuerzas (F = P x A) -Equilibrio Térmico: igualdad de temperatura. (T = T0) -Equilibrio Químico: implica que la estructura de la materia y la composición del sistema no deben variar.

SI ESTOY EN EQUILIBRIO TERMODINÁMICO NO PUEDO HACER NADA

SI ESTOY EN EQUILIBRIO TERMODINÁMICO NO PUEDO HACER NADA

Un sistema en equilibrio termodinámico es incapaz de evolucionar espontáneamente.

PROCESO: Un proceso termodinámico es simplemente un cambio de estado que se produce en un sistema o volumen de control.

Clasificación: Proceso cuasi estático: Es un proceso durante el cual el sistema atraviesa una serie continua de equilibrio en que las propiedades tienen constantemente valores bien definidos, es decir, es un proceso que requiere el conocimiento de las condiciones en las que se desarrolla el cambio de estado.

Cuál es la ecuación de la curva ?

Proceso no estático: En este proceso la situación de equilibrio del sistema y por consiguiente sus propiedades no están bien definidas se tiene sólo información de estado inicial y final y de los cambios totales ocurridos en él.

Para un valor determinado de V3, no podemos precisar exactamente a qué presión está !

Otra clasificación: Proceso reversible: Si puede ser detenido en cualquier punto de su desarrollo o invertirse el sentido del mismo, pasando al invertirlo por los mismos estados por los que paso inicialmente, sin producir cambios en el sistema o los alrededores. Es aquel proceso que puede regresar a su estado inicial en forma natural. Ej. Deformación elástica de un resorte.

ni los mejores resortes del mundo son reversibles....hasta ellos se fatigan con el tiempo y se rompen

Proceso irreversible: -Cuando no son reversibles. -Sólo regresan a las condiciones iniciales con intervención externa. -Los procesos irreversibles pueden variar tanto no estática como cuasiestáticamente por aproximación. -Todos los procesos reales son irreversibles. Ej:Transferencia de calor, deformaciones plásticas, pérdidas por fricción, procesos naturales.

Que no te engañe nadie, todos los procesos son siempre IRREVERSIBLES !!!

CICLO: Cuando un sistema en un estado inicial dado realiza varios cambios de estado o procesos y finalmente, retorna a su estado inicial, diremos que dicho sistema ha experimentado un ciclo. El concepto de Ciclo Termodinámico lleva implícito el de Masa de Control. Al concluir el ciclo, todas las propiedades tienen el mismo valor que al inicio, es decir, todas las propiedades retornan a su valor inicial.

Termodinámicamente hablando, un «ciclo» en la universidad sería un verdadero ciclo si te jalaran todos los cursos y los vuelves a repetir

MAQUINAS QUE FUNCIONAN CON CICLOS TERMODINAMICOS

En este curso aprenderán a conocer cómo funcionan cada una de estas máquinas, a reconocer los ciclos termodinámicos que tienen cada uno de ellos, y de muchas máquinas más.

Central Térmica