TERMODINÁMICA CLASE 1CONCEPTOS BÁSICOS

Elaboró:

Profesor Efrén Giraldo T. MSc.Revisó:

Profesor Carlos A. Acevedo Ph.D

Presentación hecha exclusívamente con el fin de

facilitar el estudioImagen tomada de : http://hermandadebomberos.ning.com/m/discussion?id=3481697%3ATopic%3A1038026

Contenido

Energía¿Qué es la termodinámica?Dispositivos termodinámicosSistemas termodinámicosMezclas

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“La Termodinámica es una materia

divertida. La primera vez que se estudia, seentiende nada. La segunda, uno cree que laentiende, excepto por una o dos pequeñascosas. La tercera vez, uno sabe que no loentiende, pero para entonces se está tanacostumbrado al tema que ya no le molesta”.

Arnold Sommerfeld. (1868– 1951)

“La termodinámica es como unanovia caprichosa, a veces laentendemos y otras veces no quieredejarse ver de nosotros. Perocuando comienza a conocerse esimposible dejarla”

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La termodinámica parece unamateria tan contradictoria como lamisma existencia humana. Enambas se parte de supuestosimposibles para poder explicarlas. Espor esto que son tan fascinantes.

(Sala, 20014)

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LA ENERGÍA

El concepto de energía comúnmente seasocia con la capacidad de generarmovimiento o transformar algo. También conla capacidad de producir trabajo.

Igualmente con la posibilidad de un cuerpo osistema para producir fuerzas sobre otroscuerpos o sistemas, o sobre sus propiossubsistemas. En clases posteriores seestudiará más profundamente este concepto.

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¿TERMODINÁMICA?

Termodinámica, es la unión de tres partes claramente diferenciadas:

1. Thermos que viene a definirse como “caliente”

2. Dinamos que es equivalente a “fuerza”, “poder”, “movimiento”

–ico que significa “relativo a”.

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Por lo tanto la palabra termodinámicatiene relación con la energía y sutransporte, un fenómeno capaz deprovocar cambios y movimiento endiversos cuerpos.

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TERMODINÁMCIA, DEFINICIONES

“La termodinámica es el estudio de losvínculos existentes entre el calor, ylas demás formas de energía”.

Una de sus ramas (la clásica) analizalos efectos que poseen a nivelmacroscópico las modificaciones detemperatura, presión, densidad, masay volumen en los sistemas.

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“Termodinámica es la parte de laciencia que se encarga de estudiarlas relaciones existentes entre elcalor y el trabajo y la energía de uncuerpo, especialmente el calor queproduce un cuerpo para realizartrabajo”.

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La Termodinámica trata de lainteracciones entre los fenómenostérmicos, mecánicos y químicos.

La Termodinámica se define comouna ciencia macroscópica queestudia el calor, el trabajo, laenergía y los cambios que ellosproducen en los sistemas. (UPM,2014)

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Termodinámica estadística:

Estudia los sistemas microscópicos enequilibrio.

Estudia el comportamiento estadístico degrandes grupos de partículas.

Estudia sistemas termoeléctricos ytermoiónicos.

La termodinámica clásica está íntimamenterelacionada con los dispositivostermodinámicos.

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Dispositivos Termodinámicos

HACER CLIC: PISTÓN

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Figura 2. Esquema Iintercambiador de calorhttp://www.telecable.es/personales/albatros1/calor/transferencia_de_calor_07_intercambiadores.htm

Figura 1.Esquema de una caldera.http://www.sabelotodo.org/termicos/caldera.html

Otro dispositivo termodinámico es el pistón, el cual

es la base de muchos motores térmicos.

¿Por qué estudiar Termo?

Es una manera de saber cómo un sistema intercambia energía con su entorno.

Cómo se relacionan el trabajo W y la E en un sistema

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Figura 3. Intercambio de energía de un

sistema con su ambiente.http://www.wikillerato.org/Imagen:Intercambio_de_energia.jpg.html

Figura 4.Relación entre W y E

http://ciech-fisica.blogspot.com/p/relacion-trabajo-energia.html

Estamos rodeados de invencionestécnicas que hubiesen sido imposibles sinel empleo de la termodinámica:

El automóvil, los aviones y cohetes, elrefrigerador, el motor de combustióninterna, las turbinas, los calentadoressolares, la calefacción, el aireacondicionado, etc.

Seguidamente se hará un análisis devarios conceptos termodinámicos:

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SISTEMA TERMODINÁMICO

Un sistema es una región del espacio quese aísla para su estudio.

Puede intercambiar o no, energía y masacon los alrededores.

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Figura 5. Un sistema y sus componentes.

http://navarrof.orgfree.com/Docencia/Termodinamica/Conceptos/conceptos_fundamentales.htm

(UPM, 2014)

Alrededores o

Fronteras del sistema

Un sistema posee una frontera que lodelimita del resto del universo, puede ser:

1.Material (las paredes de un recipiente,por ejemplo)

2.Imaginarias (una sección transversal deun tubo de escape abierto, por ejemplo).

3. Móvil: cilindro-pistón

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Alrededores, ambiente o entorno

Es la zona del espacio que rodea al sistema y con la cuál éste interactúa mediante intercambios de energía o de masa.

Al conjunto del sistema, frontera y entorno se le denomina el universo.

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CLIC: TERMODINÁMICA

Clases de sistemas:

Cerrados

Abiertos

Aislados

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CLIC: TERMODINÁMICA

Sistemas Cerrados (control de masa)

Puede intercambiar energía con su entorno pero no materia.

(Cengel,2007)

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Ejemplo: Gas en una pipeta no

aislada con válvula cerrada.

Sistema: el gas.

Frontera fija y real: el cilindro.

Masa: el gas es constante y no

fluye.

Alrededores: aire atmosférico

Puede enfriarse o calentarse

según la T del medio o sea que

la energía puede entrar o salir.

masa no

E si

Figura 6. Un sistema cerrado

puede intercambiar E pero no masa

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Figura 7 . El reloj de arena en un ejemplo de sistema cerrado. La

cantidad de arena permanece constante, pero puede intercambiar

energía con el entorno. http://www.profesorenlinea.cl/Ciencias/entropia.htm

Sistema cerrado con frontera móvil: gas encerrado en un recipiente con un émbolo

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Ejemplo: Gas en un cilindro

con émbolo.

Sistema: el gas

Frontera: una fija (el cilindro),

otra móvil (el émbolo)

Masa: constante y no fluye

Alrededores: aire atmosférico

Puede enfriarse o calentarse

según la T del medio, la

energía puede entrar o salir,

por tanto puede intercambiar

energía.

Figura 8 : Gas en un recipiente con

frontera móvil.

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Trabajo_en_termodin%C3%A1mica_(GI

E)

Sistema abierto:(volúmenes de control)intercambia energía y materia con su entorno

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Figura 11. Sistema abierto http://tdinamica.blogspot.com/p/sistemas

abiertos.html

(Piñero, R. 2014)

Figura 9. Café caliente http://salud-y-republica.lacoctelera.net/post/2011/11/05/les-

provoca-tintico-o-juguito-frutas

Figura 10. Pipeta de gas con llave

abiertahttp://hermandadebomberos.ning.com/m/blogpost

?id=3481697%3ABlogPost%3A1911223

Un sistema aislado no puede intercambiar

materia m, ni energía E con su entorno.

E y m son constantes.

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http://tdinamica.blogspot.com/p/sistemas-cerrados-y-abiertos.html

Figura 12. Esquema de

Termohttp://fisicasuperficial.wordpress.com/termodinamica-y-transferencia-

de-calor/calor/

Figura 13. Sistema aislado

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Figura 14. Las tres clases de sistemas termodinámicos.http://joule.qfa.uam.es/beta-2.0/temario/introduccion/introduccion.php

Sustancias: elementos, compuestos, mesclas

Elementos

No se pueden descomponer deninguna forma en otras mássimples, son los elementos de latabla periódica.

Compuestos

Si se descompone en más de un elemento químico, se dice que la sustancia es compuesta

Mezclas04/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 26

Compuesto químico:

Un compuesto es un tipo de materiaconstituido por dos o más elementosdiferentes unidos químicamente enproporciones definidas.

Por ejemplo, 1 g de cloruro de sodiosiempre contiene 0,3932 g de sodio y0,607 g de cloro.

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CLIC: MEZCLAS

Molécula

La molécula está formada por launión de dos o más átomosmediante enlace químico.

Algunos átomos forman moléculas alunirse entre si átomos de un mismoelemento: 02 ,𝐻2, 𝐶𝑙2… . .

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Mezcla: Es la combinación de varias sustancias

Es posible la separación de una mezcla mediante procedimientos

Físicos:

Destilación

Evaporación

Suspensión y filtración

Mecánicos como:

La decantación

La imantación04/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 29

Sustancias puras

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Mezclas

Figura 15. Sustancias puras

Las sustancias Puras

Poseen una composición química fija odefinida en cualquiera de sus partes.También poseen la misma composiciónquímica en los diferentes estados físicosde la materia (Líquido, sólido y gaseoso).

Presentan propiedades características,como la temperatura de ebullición(específica y constante) o la densidad.

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CLIC: SUSTANCIAS PURAS

Las sustancias puras pueden ser: elementos,

compuestos químicos y aún mezclas.

Las mezclas pueden ser sustancias puras perotienen necesariamente que ser en todas suspartes homogéneas: por ejemplo el aire.

Una mezcla de dos o mas fases de unasustancia pura puede ser a su vez sustanciapura si la composición química es la misma:ejemplo agua + hielo

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El aire líquido más el aire gaseosono es sustancia pura porque no eshomogénea.

Muchas sustancias puras estánformadas por un solo tipo desustancia o materia: El oro, elhierro, la sal, el agua…

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Mezclas homogéneas

En la mezcla homogénea las propiedades intensivas son las mismas en toda ella.

Estas propiedades intensivas son las queno dependen de la cantidad de materia:

densidad, viscosidad, calor específico

Las mezclas homogéneas o disoluciones son mezclas en las que no se distinguen sus componentes.

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Las mezclas heterogéneas son mezclas en las que se pueden distinguir sus componentes.

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http://cplosangeles.juntaextremadura.net/web/edilim/tercer_ciclo/cmedio/la_materia/las_mezclas/las_mezclas.html

Figura 17. Mezcla hetereogénea Figura 18. Mezcla hetereogénea

Coloides: Son mezclas que poseenpartículas muy pequeñas, que sóloson vistas con un microscopioelectrónico, se encuentran enconstante movimiento y choqueentre ellas en el medio que lascontiene. Ejemplos: Leche, Jalea,Aceite emulsionado…

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Bibliografía

Cengel, Y., y Boles, M. (2007). Termodinámica. Mc Graw Hill. 5ed. México.

Sala, A. (2014). Rompiendo la segunda ley de la termodinámica.Diaphoros Magazine. Año 1 no 1, Enero 2014. Tomado el día 24de Junio de 2014 de:http://diaphorosmag.files.wordpress.com/2013/12/diaphoros11.pdf

Piñero, R. (2014). Volúmenes de control. Tomado el 22 Junio de2014 de:

http://es.slideshare.net/YormanP/volumen-de-control

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Bibliografía

UPM: Página de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) –España:

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/sistema.html

Laplace. Departamento de Física aplicada III. Universidad de Sevilla:

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Sistemas_termodin%C3%A1micos_(GIE)#Sistemas_termodin.C3.A1micos

http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1157/html/11_sistemas_termodinmicos.html

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