TERMODINÁMICA

Campo de estudio de la

termodinámica

�Estudia los cambios de las variablesmacroscópicas de las sustancias, tales comola presión, volumen y la temperatura, entreotras, relacionadas con la energía quecaracterizan a un sistema, comoconsecuencia del intercambio de calor ytrabajo con sus alrededores.

Conceptos fundamentalesSistema Internacional de Unidades

� Dimensión: es una cantidad física que define a unsistema de unidades.

� Unidad fundamental: a cada dimensión fundamentalse le asigna una unidad llamada fundamental.

� Unidades derivadas: surgen de la combinación deunidades fundamentales, suplementarias y otrasderivadas, según la ecuación algebraica que lasrelaciona.

Sistema Internacional de Unidades

Dimensión Unidad Fundamental

Nombre Símbolo Nombre Símbolo

Longitud L metro m

Masa M kilogramo kg

Tiempo T segundo s

Temperatura Θ kelvin K

Corrienteeléctrica

I ampere A

Intensidad luminosa

candela cd

Cantidad de sustancia

n, N mol mol

Propiedades termodinámicas� Masa: Es una propiedad fundamental de tipo escalar y

representa a la cantidad de materia, independiente desu ubicación geográfica; puede medirse con unabalanza en un campo gravitatorio. Se emplea paradeterminar si una propiedad de la sustancia esintensiva o extensiva.

Propiedad: característica inherente a la materia, quepuede medirse.

� Propiedad intensiva: su valor es independiente de lacantidad de sustancia.

� Propiedad extensiva: su valor depende de la cantidadde sustancia.

Ejemplos de propiedades

�Propiedades extensivas:

Volumen, peso, energía cinética, energíapotencial gravitatoria.

�Propiedades intensivas:

Densidad, densidad relativa, peso específico,volumen específico, presión.

Sistemas termodinámicos� Sistema: es una porción con masa del universo, la que

se separa para su análisis.

� Sistema cerrado: es el que tiene una cantidad fija einvariable de masa y solo la energía cruza su frontera.

� Sistema aislado: un caso particular del sistema cerradoes el sistema aislado, en el cual, no hay transferencia demasa ni de energía a través de su frontera.

� Sistema abierto: permite el paso de energía y de masa através de su frontera.

Tipos de fronteras� Puede clasificarse en reales o imaginarias.

Clasificación de fronteras

Frontera

Pasaje de masa Permeable

Impermeable

Interaccióntérmica

Diatérmica

Adiabática

Interacción mecánica

Flexible

Rígido

Ley cero de la termodinámica� Cuando dos sustancias A y B están en condiciones

térmicas distintas y alcanzan simultánea yseparadamente el equilibrio térmico con un tercersistema, originalmente en condición térmica distintade los demás, entonces es un hecho experimental quelas sustancias A y B tienen que estar en equilibriotérmico entre sí. En otras palabras, hay una propiedadque indiscutiblemente tiene el mismo valor en cadasustancia que esté en equilibrio térmico; estapropiedad se llama temperatura.

Concepto de temperatura � En palabras sencillas el mensaje de la ley cero de la

termodinámica es: “todo cuerpo tiene una propiedadllamada temperatura. Cuando dos cuerpos están enequilibrio térmico su temperatura es la misma”.

� Es una propiedad fundamental y puede entendersecomo aquella propiedad que permanece invariablecuando dos sustancias están en equilibrio térmico.

Escalas de temperatura� Celsius: utilizó los puntos normales de congelación y

ebullición del agua.

Escalas de temperatura� Escala absoluta o de Kelvin.

� Se demostró que un gas ideal a presión constante tiene un V=f(T). Se pensó que la temperatura más pequeña era aquella con volumen igual a cero, ya que no hay volúmenes negativos. Se asoció O (K) =-273,15 (°C).

Concepto de calor� Calor: Es energía en tránsito. Se manifiesta cuando dos

o más sistemas con temperaturas distintas se ponen en contacto mediante fronteras diatérmicas.

� Sensible: se manifiesta cuando la temperatura cambia. No hay cambio de fase.

� Latente: se manifiesta cuando no cambia la temperatura. Hay cambio de fase.

Ecuaciones del calorc= constante de proporcionalidad, llamadacapacidad térmica específica.

Ejercicio 1: determine las unidades de c en el SI.Ejercicio 2: determine las unidades de λ en el SI.

Curva de calentamiento del agua

Signo de calor

Modelo matemático que representa la relación

entre los valores experimentales calor y

temperatura

Concepto de energía

�Es una cantidad física de tipo escalarque latente o manifiesta es capaz deproducir cambios en la materia o en susalrededores.

�Pregunta: ¿La energía es propiedad?

Energías en transición: calor y

trabajo

Clasificación de energía

Energía

En tránsito Calor (Q)Trabajo(W)

Como propiedaddel sistema

MecánicasCinética(EC)Potencial gravitatoria (EP)

Interna(U)NuclearPotencial eléctricaEólica QuímicaEtc.

Definición de trabajo

La fuerza es un agente capaz de cambiar o modificar la cantidad demovimiento de un cuerpo con respecto al tiempo.

Signo del trabajo

CompresiónExpansión

Trabajo casiestático� Es aquél en el que la interacción que produce el

cambio difiere en menos de un infinitésimo del valorde la propiedad sobre la influye.

� Es el proceso en el que el cambio se efectúa muylentamente, de tal forma, que el sistema está siempreen equilibrio termodinámico. Sin embargo, el estadofinal es diferente del inicial.

Conceptos � Estado: es el conjunto de valores de las propiedades

intensivas de un sistema en un momento dado.

� Estado de equilibrio: es aquel cuyas propiedadesintensivas tienen valores independientes del tiempo.

� Proceso: es el pasaje del sistema desde un estado deequilibrio inicial a otro estado de equilibrio final.

� Cualidad matemática de una propiedad: lacaracterística matemática de una propiedad de lasustancia como función, es que da una diferencialexacta.

Proceso Cíclico

En el proceso cíclico ∆P =O y ∆v =O

Postulado de estado� La experiencia señala que en el caso de fluidos simples,

el estado termodinámico se define cuando se fija elvalor de cualesquiera de dos propiedadesindependientes e intensivas.

� Un proceso casiestático se representa con una líneacontinua. En puntos consecutivos de esta línea el valorde la propiedad prácticamente no cambia.

Diagrama (v,P)� Gracias al postulado de estado es posible trazar

diagramas termodinámicos.

Procesos casiestáticos� Proceso isobárico

Pvn=c

n es el índice politrópico

n=0

Pv0=c

P=c

Procesos casiestáticos� Proceso isométrico o isócoro

Se lleva a cabo dentro de fronteras rígidas, inmóviles e impermeables.

Pvn=c

n→∞

v=c

Procesos casiestáticos� Proceso isotérmico

Pvn=c

n=1

Pv=c

Procesos casiestáticos� Proceso adiabático

No hay interacciones térmicas, se realiza usualmente dentro de fronteras adiabáticas.

Pvn=c

n=k

k es el índice adiabático

Pvk=c

Procesos casiestáticos� Proceso politrópico

Hay interacciones térmicas; varían las propiedades de P, v y T.

Pvn=c

Proceso reversible

� Es un proceso casiestático, en este curso se toma encuenta principalmente como causa de irreversibilidada la fricción, sin embargo, también existe latransmisión de calor con una diferencia detemperaturas finita, la expansión irresistida,deformación inelástica, la resistencia eléctrica, lasreacciones químicas, etc.

Entropía� El cociente de es una propiedad llama entropía

(dS). Por lo tanto, puede escribirse para un proceso reversible:

o bien,

� Para un proceso irreversible :

o bien,

Principio de incremento de entropía

� Sea un sistema aislado (dentro de un recipiente con paredes adiabáticas), como el siguiente:

� De acuerdo a la primera ley de la termodinámica la energía interna es constante, para un sistema aislado.

Principio de incremento de entropía� La segunda ley de la termodinámica establece que:

� Igual a cero para un proceso reversible y mayor que cero para un proceso irreversible, por lo tanto, S2 > S1.