Termodinamica Tema 1

Una teora es ms grandiosa cuanto mayor es la simplicidad de sus premisas, mayor nmero de fenmenos relaciona y ms extensa es el rea de su aplicacin. Esta es la razn fundamental de la profunda impresin que me causa la Termodinmica. Es la nica teora fsica de contenido universal respecto de la cual estoy convencido de que dentro de la estructura de la aplicacin de sus conceptos bsicos, nunca ser

destruida

Albert Einstein (1879-1955)Autobiographical

Notes. Harper and

Row. N.Y. 1959

Prof. Mohamed Khayet Souhaimi

Fsica Aplicada I (UCM)

Termodinmica _Grado en Fsica (P1)

Mapa de la termologa

Termodinmica ClsicaTermodinmica del Equilibrio

Macroscopia

Microscopia

Termodinmica del No-EquilibrioTermodinmica de los Procesos

Irreversibles (TPI)

Fsica Estadstica

Teora Cintica




INTRODUCCIN Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES

TEMA 1

1.

OBJETIVOS DE LA TERMODINMICA

4.

DESCRIPCIN DEL ESTADO DE UN SISTEMA TERMODINMICO Variables termodinmicas, clasificacin, funciones homogneas,

teorema de Euler

6.

PROCESOS TERMODINMICOS

3.

PAREDES Y LIGADURAS TERMODINMICAS

Clasificacin de los sistemas termodinmicos

2.

SISTEMAS TERMODINMICOS

5.

ESTADO DE EQUILIBRIO TERMODINMICO




REFERENCIAS

* J. Aguilar Peris (Curso de Termodinmica) (1989):

Captulo 1: (Introduccin y conceptos fundamentales)

Captulo 11: (Funciones homogneas y Teorema de Euler)

* C. Fernndez Pineda, S. Velasco Mallo

(Termodinmica) (2009):

Captulo 1: (Conceptos bsicos)




1.

OBJETIVOS DE LA TERMODINMICA

Estudia las propiedades macroscpicas

de los sistemas fsicos que

participan en procesos en los que se pone en juego la energa

Ciencia macroscpica Intercambios de energa

- Se ignora la estructura molecular - Pocas variables:

- Trabajo (W)- Calor (Q)- Masa (M) Directamente observables

Sugeridas por los sentidos Describen el sistema en conjunto

Gama de sistemas objeto de estudio de la Termodinmica es muy variada




2.

SISTEMAS TERMODINMICOS

Cualquier porcin macroscpica del universo, limitada por una superficie cerrada, que consideramos para su estudio

* Sistemas termodinmicos abarcan todos los campos de la Fsica:

-

Pila elctrica -

Burbuja de jabn

-

Hilo tenso -

Cilindro de un automvil

-

Par termoelctrico

-

Ncleo de un transformador, etc.

Susceptible de caracterizacin por medio de propiedades macroscpicas

Superficie real o imaginaria

(Tipo de interaccin)




3.

PAREDES Y LIGADURAS

Superficies de separacin o lmites del sistema: Rgidas o deformables

Tabla 1. Tipos de paredes

Intercambio de energa y/o de materia

Tipo de pared Denominacin Definicin

Prohibitiva

Aislante Prohbe el intercambio de energa y de materia

Adiabtica Prohbe el intercambio de energa en forma de calor y de materiaImpermeable Prohbe el intercambio de materia

Fija y rgida Prohbe el intercambio de energa en forma de trabajo (mecnico)

Permisiva

Diatrmana Permite el intercambio de energa en forma de calor

Permeable Permite el intercambio de materia

Mvil Permite el intercambio de energa en forma de trabajo (mecnico)




* Indquese si los sistemas siguientes son abiertos, cerrados o aislados:

- Gas que se expansiona en un cilindro provisto de un mbolo- Caldera de una mquina trmica- Mquina trmica completa- Cohete- Vaso trmico cerrado lleno de agua caliente- Galaxia celeste- Un estadio - Una planta desalinizadora del agua del mar

* Un recinto est

cerrado con una membrana a travs de la cual pasa el nitrgeno y el argn, pero no el oxgeno. Qu

tipo de sistema es?

* Dgase si son ciertas o falsas las siguientes afirmaciones:

- Un sistema cerrado es un sistema de volumen constante

- Un sistema abierto es el que evoluciona desde un estado inicial a otro final de coordenadas distintas




Clasificacin de los sistemas termodinmicos

* Modo de relacionarse con el entrono:

* Composicin: -

Sistemas monocomponentes: 1 solo componente

-

Sistemas multicomponentes: + de un componente

* Constitucin: -

Sistemas homogneos: una sola fase

-

Sistemas heterogneos: varias fases (Presentan discontinuidades)

* Nmero de grados de libertad: -

Sistemas simples: 2 grados de libertad

-

Sistemas compuestos: + 2 grados de libertad

1. Sistemas aislados: Paredes aislantes (energa, materia)

2. Sistemas trmicamente aislados:

Paredes adiabticas (energa en forma de calor, materia)

3. Sistemas cerrados: Paredes impermeables (materia)

4. Sistemas abiertos: Paredes permeables (materia)




*

Son homogneos o heterogneos los siguientes sistemas?:

- Una mezcla de vapor y agua

- El aire atmosfrico

- Una disolucin de cloruro sdico en agua en presencia de cristales de la sal (disolucin saturada en sal)

- La mezcla de gasolina y aire del carburado de un automvil

- Los gases de escape del automvil




* Convenio de signos para los intercambios de trabajo y calor

Para los intercambios de trabajo (W) y calor (Q) del sistema con

el medio exterior adoptaremos el siguiente criterio:

a)-

El sistema recibe trabajo: W > 0b)-

El sistema cede trabajo: W < 0

c)-

El sistema absorbe calor: Q > 0d)-

El sistema cede calor: Q < 0

SistemaW < 0Q < 0

W > 0Q > 0




* Qu

signos tienen el calor y el trabajo en los siguientes procesos?

:

- En una bomba calorimtrica de paredes metlicas rgidas se produce la combustin exotrmica de una sustancia orgnica

- Un gas se comprime dentro de un recipiente de paredes adiabticas

- Una esfera metlica a 100 C

se introduce en agua a 0 C Considrese la esfera como sistema

- Se calienta el gas contenido en un recipiente rgido aumentando su temperatura y su presin

- Un mezcla de H2

y O2

en un cilindro de paredes adiabticas hace explosin por la accin de una chispa y el mbolo se desplaza con aumento de volumen

- El gas en una botella a presin se utiliza para inflar un baln de paredes aislantes (El sistema es el gas de la botella)




4.

DESCRIPCIN DEL ESTADO DE UN SISTEMA TERMODINMICO

* MECNICA: Coordenadas espaciales y de velocidad

No todas las variables termodinmicas, algunas de ellas capaces de describir de modo completo el estado de un sistema (variables, coordenadas o parmetros de estado) que son variables independientes

Funcin de estado

* TERMODINMICA: Coordenadas, parmetros o variables termodinmicas (Presin, Volumen, Densidad, Momento magntico, Intensidad de campo elctrico, Carga elctrica, Tensin superficial, Concentracin, Fuerza electromotriz,

etc.)

Ejemplos: Varilla (L, P)

Pila (fem, q) Masa de un fluido homogneo par de variables independientes (P, V, T)




* Funcin de estado: Toda funcin (Y) que puede expresarse con ayuda de las variables de estado

del sistema

- El calor y el trabajo no son funciones de estado.

- La diferencial de una funcin de estado es una diferencial exacta

Ejemplos: Energa interna

* Espacio termodinmico:

Espacio geomtrico de dimensin igual al nmero de variables independientes del sistema

=21

12 YYdY

La variacin experimentada por una funcin de estado es independiente del proceso que conecta dos estados especficos y queda perfectamente definida por el simple conocimiento del estado inicial y final




Clasificacin de las variables termodinmicas

* Definicin operacional:

Nota:

Son excepciones de esta regla la masa, el nmero de moles.

El volumen molar :

P, V, , U, ... P, V, , U, + P, 2V, , 2U, * Variables termodinmicas que experimentan alteracin (V, U) Extensivas(Masa, Volumen, Carga elctrica, Nmero de moles, Energa interna, Momento

magntico, ...)

-

Son variables intensivas las magnitudes especficas y las magnitudes molares

El calor especfico, c = C/m El volumen especfico, v =V/m

La energa interna especfica, u =U/m

M

mMV

nVv === .0

* Variables termodinmicas que permanecen inalteradas (P, ) Intensivas (Presin, Intensidad de campo de fuerzas, Tensin superficial, etc.)




* Cules de las siguientes magnitudes son extensivas y cuales son intensivas?:

- ndice de refraccin de un cristal- Longitud de un alambre- Tensin superficial del mercurio- Campo magntico en el entrehierro de un imn- Energa radiante contenida en una cavidad- Capacidad calorfica de un lquido- Calor especfico

*

Qu

magnitudes desempean el papel de variable extensiva e intensiva en la energa cintica y la energa potencial gravitatoria?




* Indquese si es extensiva o intensiva:

- La suma algebraica de cantidades extensivas- El cociente de dos extensivas- El producto de dos cantidades intensivas- El producto de una intensiva y otra extensiva- La derivada de dos intensivas- La derivada de una extensiva respecto de una intensiva- La derivada de una intensiva respecto de una extensiva

* Conocemos la temperatura y el ndice de refraccin de un lquido.

Est

definido termodinmicamente el sistema?




Funciones homogneas

* Concepto matemtico: Funcin homognea de grado n

un parmetro que admite cualquier valor ),,(),,( zyxfzyxf n =Un magnitud termodinmica es extensiva

si es funcin homognea de grado

unidad

respecto a las variables extensivas independientes

Anlogamente: Las magnitudes termodinmicas intensivas son funciones homogneas de grado cero

respecto a las variables extensivas independientes.

Ejemplo: Mezcla de gases (T , P, n1

, n2

, )-

Una propiedad genrica X

es extensiva si:

X( T , P, n1 , n2 , )= X( T, P, n1 , n2 , )Condicin de homogeneidad de grado 1

-

Una propiedad genrica Y

es intensiva si: Y( T , P, n1

, n2

, ) = Y( T, P, n1

, n2

, )Condicin de homogeneidad de grado 0

22 5),( yxyaxyxff +==




-

Las funciones homogneas cumplen con el teorema de Euler

Teorema de Euler

ixjiii x

XxxxxX

=,...),,( 321

Una funcin de estado intensiva Y (x1 , x2 , x3 , .)

cumple:

0=

i ixjii x

Yx

Los sumatorios hacen referencia solamente a variables independientes extensivas

Aplquese el teorema de Euler al volumen de un sistema de tres componentes a p y T constantes, cuyos nmeros de moles son n1

, n2

y n3

.

Una funcin de estado extensiva X (x1 , x2 , x3 , .)

cumple:




5.

ESTADO DE EQUILIBRIO TERMODINMICO

* Estado estacionario: Ejemplo de la barra

Si adems las variables intensivas poseen el mismo valor en todo el sistema Estado de equilibrio termodinmico

Las coordenadas termodinmicas de la barra no cambian con el tiempo

Un sistema aislado se encuentra en equilibrio termodinmico cuando sus propiedades macroscpicas son constantes en el tiempo

La condicin de equilibrio exige no slo que las propiedades sean constantes sino que, adems, no debe existir interaccin alguna.




Aquella parte de la Termodinmica que se ocupa del estudio de las propiedades macroscpicas que exhiben los sistemas en los estados de equilibrio termodinmico se denomina TERMODINMICA DEL EQUILIBRIO

* Equilibrio trmico: La temperatura es la misma en todos los puntos del sistema.

EQUILIBRIO TERMODINMICO:

* Equilibrio mecnico: La presin es la misma en todos los puntos del sistema, en ausencia de efectos gravitatorios, superficiales,

etc.

* Equilibrio qumico: La composicin qumica es la misma en todos los puntos del sistema. Circunstancia que exige la ausencia de reacciones qumicas en el seno del sistema o lo que es lo mismo que no cambie su composicin con el tiempo.

Un sistema que se encuentra en equilibrio mecnico, trmico y material se dice que est

en equilibrio termodinmico.

Sistemas: P, V, T, composicin




= Mecnica. Un sistema termodinmico puede estar en

* Equilibrio estable: Si al modificar ligeramente sus condiciones vuelve a su estado original.

* Equilibrio inestable: Si al modificar ligeramente sus condiciones desaparece el equilibrio.

* Equilibrio metastable: Cuando es estable para pequeas modificaciones, pero inestable para mayores cambios.




* Supongamos un sistema aislado formado por dos subsistemas separados por una pared. En qu

condiciones se produce el equilibrio entre los

dos subsistemas si la pared es:

- Rgida, diatrmana e impermeable- Mvil, diatrmana e impermeable- Rgida, adiabtica e impermeable

*

Son estacionarios o no los siguientes procesos?

- Precipitacin de una sal en el seno de un disolvente- Flujo de calor a travs de una barra en cuyos extremos se establece

una diferencia de temperatura constante




6.

PROCESOS TERMODINMICOS

* Proceso:

Paso de un sistema de un estado inicial a otro final, ambos de equilibrio termodinmico, como consecuencia de participar en una interaccin termodinmica.

Proceso infinitesimal Proceso finito Proceso cclico

Proceso espontneo Tiempo de relajacin

Ejemplo: Expansin de un gas contra el vaco

VacoGas




Sucesin de estados de equilibrio Procesos irreales en sentido estrictoAproximacin: Modo lento

Clasificacin de los procesos termodinmicos:

Cuasiestticos (casi-estticos) No-estticos

Tiempo de experimentacin del orden del tiempo de relajacin

en un proceso espontneo

* Estado de equilibrio:

Proceso cuasiesttico

V

P

1

2Proceso no-esttico

-

Gas encerrado en un cilindro




* Si a lo largo del proceso permanece constante alguna de las variables (P,V,T):

P=constante

Isbaro

V=constante

Isstero

T= constante

Isotermo

Q=0

Adiabtico

La funcin de estado f(P,V,T)=0

de una sustancia homognea simple puede representarse por una superficie utilizando un sistema de ejes P,V,T:




* En qu

condiciones se aproximan a cuasi-estticas las siguientes transformaciones?.

- Disolucin de una sal- Expansin de un gas- Evaporacin de un lquido en un recipiente cerrado

* Ctese algunos fenmenos que sean cuasiestticos

y otros no-estticos

- Expansin muy lenta de un gas - Expansin brusca de un gas- Extensin de una goma o de un resorte muy lentamente- Alargamiento rpido de una goma o muelle- Fusin lenta del hielo en presencia de agua a 0 C- Fusin del hielo y su posterior calentamiento en un recinto a

temperatura superior a 0C- Fenmenos naturales




Nmero de diapositiva 1Mapa de la termologaINTRODUCCIN Y CONCEPTOS FUNDAMENTALESREFERENCIASNmero de diapositiva 5Nmero de diapositiva 6Nmero de diapositiva 7Nmero de diapositiva 8Nmero de diapositiva 9Nmero de diapositiva 10Nmero de diapositiva 11Nmero de diapositiva 12Nmero de diapositiva 13Nmero de diapositiva 14Nmero de diapositiva 15Nmero de diapositiva 16Nmero de diapositiva 17Nmero de diapositiva 18Nmero de diapositiva 19Nmero de diapositiva 20Nmero de diapositiva 21Nmero de diapositiva 22Nmero de diapositiva 23Nmero de diapositiva 24Nmero de diapositiva 25Nmero de diapositiva 26Nmero de diapositiva 27

Termodinamica Tema 1

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