TermodinámicaTemas Selectos de Física 2

Prof. Daniel Valerio MartínezUniversidad La Salle Nezahualcóyotl

Conceptos básicos

• Termodinámica• Sistema• Sistema abierto• Sistema cerrado• Sistema aislado• Frontera• Entorno

¿Qué estudia la termodinámica?

• Es la rama de la física que estudia la energía, la transformación entresus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad paraproducir trabajo.

• La termodinámica dentro de sus aplicaciones al campo de laingeniería tiene dos objetivos principales. Uno es describir laspropiedades de la materia cuanto esto exista, a esto le llamamosestado de equilibrio.

• El otro objetivo es describir los procesos en los cuales laspropiedades de la materia si cambian y relacionar estos cambios a latransferencia de energía en forma de calor y trabajo con el cual esacompañado.

Definiciones

• Sistema.• Es un conjunto de elementos con relaciones de

interacción e interdependencia que le confieren entidadpropia al formar un todo unificado.

• Se refiere a una cantidad definida de materia encerradapor fronteras o superficies, ya sean reales o imaginarias.

• Un sistema puede ser cualquier objeto, cantidad demateria, región del espacio, etc., seleccionado paraestudiarlo y aislarlo de todo lo demás.

• Todo lo que lo rodea es el entorno o el medio donde seencuentra el sistema. El sistema y el entorno forman eluniverso.

Conceptos básicos

Conceptos básicos

Conceptos básicos

Conceptos básicos

Sistema termodinámico

• Un sistema termodinámico es un sistema macroscópico. Elestado de un sistema se define como el conjunto completo detodas sus propiedades las cuales pueden cambiar durantevarios procesos específicos.

• Las propiedades las cuales comprenden este conjuntodepende de los tipos de interacciones los cuales puedentomar lugar tanto dentro del sistema y entre el sistema y susalrededores.

• La condición o existencia de un sistema termodinámico en unpunto particular y en un determinado instante de tiempo sedescribe por un conjunto interrelacionado de cantidadessusceptibles de ser medidas llamadas propiedadestermodinámicas.

Conceptos básicos

• Las propiedades termodinámicas son sólo aquellascantidades cuyos valores numéricos no dependen de lahistoria del sistema, es decir, son independientes de la rutaseguida entre dos diferentes estados.

• Las propiedades termodinámicas cuyos valores dependendel tamaño del sistema son llamadas propiedadesextensivas tales como: volumen (V), entropía, energíainterna.

• Las propiedades termodinámicas cuyos valores nodependen del tamaño del sistema son llamadaspropiedades intensivas tales como: presión (P),temperatura (T).

Conceptos básicos.

• Así como hay ecuaciones de cinemática para describirel movimiento de un objeto, las leyes de Newton paradescribir las causas del movimiento, la ley de Ohm paradescribir el comportamiento dentro de un circuito, hayecuaciones de estado para describir las condiciones delos sistemas termodinámicos.

• Una ecuación con la descripción anterior expresa unarelación matemática entre las variablestermodinámicas de un sistema.

• En el caso de sistemas termodinámicos una ecuaciónde estado tiene la siguiente forma:

• f(P, V, T, n) = 0

+ Conceptos.

• Un proceso es cualquier cambio en el estado de un sistema,es decir, se refiere al cambio de estado desde un estadoinicial hasta un estado final.

• Conocer el proceso significa conocer no sólo los estadosinicial y final sino las interacciones experimentadas por elsistema mientras esta en comunicación con su medio oentorno.

• Los procesos se clasifican como reversibles e irreversibles.• En un proceso reversible cada estado a lo largo de la

trayectoria es un estado de equilibrio, así que el sistemapuede regresar a sus condiciones iniciales a lo largo de lamisma trayectoria o en la dirección contraria. Un proceso queno satisface este requisito es irreversible.

Diagrama de procesos

Diagrama de procesos.

Diagrama de procesos

Conceptos básicos

• Temperatura• Equilibrio térmico• Calor• Ley cero de la termodinámica• Primera ley de la termodinámica• Segunda ley de la termodinámica

Definiciones

• Temperatura.• Indica que tan caliente o frío se encuentra un objeto.• Es una medida de la energía cinética promedio de las

moléculas que componen al sistema.• Escalas de temperatura• Celsius• Fahrenheit• Kelvin

Comparación de intervalos detemperatura

2120F

320F

180 F0

1000C

00C

100 C0

tC tF

Intervalos de temperatura:

100 C0 = 180 F0

5 C0 = 9 F0

Si la temperatura cambia de 79 0F a 700F, significa una disminución de 5 C0.

Cero absoluto de temperatura

1000C00C

P1 P2

T1 T2

-2730C 00C 1000C

P

T

Grafique los puntos (P1, 00C) y (P2,1000C); luego extrapole a cero.

Cero absoluto = -2730CCero absoluto = -2730C

Cero absoluto

Conceptos básicos

• Ley cero de la termodinámica• Si los sistemas A y B están cada uno en equilibrio térmico con un

tercer sistema C, entonces están en equilibrio térmico entre sí.• Existe una cantidad escalar, llamada temperatura, que es una

propiedad de todos los sistemas termodinámicos. Dos sistemas estánen equilibrio térmico si y sólo si sus temperaturas son iguales.

+Definciones

• Calor.• Es la transferencia de energía entre dos cuerpos o

sistemas puestos en contacto dada una diferencia detemperaturas entre ellas.

• Los cuerpos no contienen calor, el calor es energía entransito y se identifica mientras está pasa a través delos límites del sistema.

• La cantidad de calor necesaria para ir de un estado aotro es dependiente de la trayectoria.

• Recordar que un objeto puede ganar o perder energíaen forma de calor, y para describir tal situacióndebemos apoyarnos en los signos.

¿Recuerdas que significan los siguientesconceptos?

• Capacidad calorífica

• Calor específico

• Calor latente

• Caloría

• Btu

Conceptos básicos• Primera ley de la termodinámica• La variación en la energía interna de un sistema es

igual a la energía transferida a los alrededores o porellos en forma de calor y trabajo.

• ΔU = ΔQ – ΔW• Energía interna.• Es la energía asociada con los átomos y las moléculas

del sistema.

• Es la suma de las energía cinética y potencial,asociadas con los movimientos de traslación, rotacióny vibratorio que se presentan de manera aleatoria porlas partículas que forman el sistema.

Conceptos básicos

• Segunda ley de la termodinámica• El calor no puede por si mismo, sin la intervención de un agente

externo, pasar de un cuerpo frío a un cuerpo caliente.• Es imposible construir una máquina térmica que transforme en

trabajo todo el calor que se le suministra.

Conceptos básicos

• Segunda ley de la termodinámica• En cualquier proceso termodinámico que pasa de un sistema de

equilibrio a otro, la entropía del sistema + el entorno, o bienpermanece constante sin cambio o bien aumenta.

• Entropía. Magnitud física utilizada en termodinámica para medir elgrado de desorden de la materia.

Resumen de las leyes.

• Las leyes de la termodinámica se enuncian de la siguiente manera:• No puedes ganar (porque no puedes obtener más energía de un

sistema que la que le suministres); no puedes empatar (porque nopuedes obtener toda la energía útil que le suministraste), y nopuedes salirte del juego (porque la entropía del universo siempreesta aumentando).

Ley de los gasesDescripción del sistema

• Depósito térmico que me permite cambiar fácilmente latemperatura del sistema o depósito.

• Si deseamos cambiar la presión, añadimos o quitamos peso sobre elémbolo.

• El volumen puede ser alterado simplemente cambiando la posicióndel émbolo.

• La cantidad de gas puede cambiarse al permitir que entre o salga gasde la cámara, cambiando por tanto el número de moléculas.

• Después de cada cambio esperamos el tiempo suficiente para …

Ley de los gases. Imagen de la situación

Ley de los gases

Ley de los gases: Ley de Boyle

Condiciones: Comprimir un gas a temperatura constantemanteniendo constante el número de partículas.

Ley de Boyle

• Entonces P como función de V se comporta de la• siguiente forma:• El volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión.• Por ejemplo, cuando se duplica el volumen, la presión disminuye a la

mitad de su valor original.• Durante varios experimentos siempre se observa la siguiente gráfica:

Ley de Boyle

Ley de Boyle

• P es inversamente proporcional a V, no importa la condición inicial nila condición final,

• Se observa que siempre ocurre lo siguiente:

• PV = cte

• Dicho de otra forma:

• P1V1 =P2 V2

Ley de los gases: Ley de Charles

Condiciones: Mantener constantes el número de partículas y lapresión de un gas.

Ley de Charles

• Como en muchas ocasiones de la vida diaria y como lo hemos vistoen cursos de física, por ejemplo, una pelota expuesta al sol, unincremento en la temperatura del sistema indica un aumento en suvolumen y, por el contrario, una disminución en su temperaturaindica una disminución en su volumen.

• Con base en estos experimentos se demuestra que:• El volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura

absoluta.

Ley de Charles

Ley de CharlesMatemáticamente se expresa de la siguiente forma:

• V ≈ T

• Dicho de otra manera:

• = constante

Ley de los gases: Ley de Gay-Lussac

• Condiciones: Mantener constante el número de partículas y elvolumen.

Ley de Gay-Lussac

• Entonces observamos como cambia la presión en función de latemperatura. De acuerdo a los experimentos se observa lo siguiente:si se duplica la presión aplicada a un gas, su temperatura absoluta seduplicará también. Por tanto:

• La presión absoluta de dicho gas es directamente proporcional a sutemperatura absoluta.

Ley de Gay-Lussac

• Matemáticamente se tiene lo siguiente:

• P ≈ T,

• Es decir,

• = constante

Ley de los gases ideales• De manera general o dicho de otra forma, lo más común es que un

sistema sufra cambios de volumen, de temperatura y de presión comoresultado de un proceso termodinámico.

• Una relación más general que combina las tres leyes es la siguiente:

• = constante• Dicho de manera coloquial (valerius)• « Una pibeta es una pibeta», no esperes que cambie.

Ley del gas ideal

• Ahora vamos a considerar el efecto de un cambio de masa(partículas) en el comportamiento de los gases. Si la temperatura y elvolumen de un gas confinado se mantienen constantes, al añadir másgas habrá un incremento en la presión. En forma similar, si la presióny la temperatura se mantienen fijos, al aumentar la masa habrá unaumento proporcional en el volumen del recipiente.

• Matemáticas se tiene:

• = constante

Ley del gas ideal

• La ecuación anterior es de carácter general. Sin embargo, lo que enrealidad influye en la presión y el volumen no es la masa del gas, sinoel número de moléculas de mismo.

• Definición• La masa atómica es la masa de un átomo, el cual se considera como

la masa total de protones y neutrones en un solo átomo (cuando elátomo no esta en movimiento)

Ley del gas ideal

• Definición.• La masa atómica de un elemento es la masa de un átomo de dicho

elemento comparada con la masa de un átomo de carbono tomadocomo 12 unidades de masa atómica.

Ley del gas ideal

• Definición.• Una molécula consiste en una combinación química de dos o más

átomos.• La masa molecular M es la suma de las masas atómicas de todos los

átomos que componen la molécula.

• Ejemplo: Una molécula de dióxido de carbono• CO2 tiene una masa molecular de 44 u

Ley del gas ideal

• La unidad científica estándar para manejar átomos en cantidadesmacroscópicas es el mol.

• Definición• Una mol es la cantidad de una sustancia que contiene el mismo

número de partículas que el número de átomos que hay en 12 g decarbono 12.

• Por ejemplo: 1 mol de carbono = 12 g

Ley del gas ideal

• La razón del número de moléculas (N) al número de moles (n) debeser igual al número de Avogadro (NA)

N A = N / n

NA = 6.0233 x 10 (23) moléculas por mol

n = m / M , masa en gramos de la sustancia, M masa molecular.

Ley del gas ideal

• Sustituyendo la expresión de la masa se tiene lo siguiente:

• = R• Donde R es llamada la constante universal de los gases• R = 8.314 J / mol K

Presión manométrica

• En un líquido o gas encerrado en un recipiente , además de lapresión atmosférica puede recibir otra presión causada por otrosdiversos motivos, por ejemplo, la presión en las llantas de losvehículos como resultado del aire comprimido.

• La presión diferente a la atmosférica recibe el nombre de presiónmanométrica. De donde la presión absoluta que soporta el fluidoencerrado es igual a la suma de las presiones manométrica yatmosférica.

Presión manométrica

• La mayoría de los dispositivos que permiten medir la presióndirectamente miden en realidad la diferencia entre la presiónabsoluta y la presión atmosférica. Como ya sabemos el resultadoobtenido se conoce como presión manométrica.

• Conversiones:• 1 atm = 101.3 kPa = 14.7 lb/in^2 = 76 cmHg = 2116 lb/pie^2 = 406.8

pulgada de agua.

Ejemplo 1

• ¿Qué volumen de gas hidrógeno a presión atmosférica se requierepara llenar un tanque de 5000 cm^3 bajo una presión manométricade 530 kPa?

• Ejemplo 2• Un cilindro sin fricción se llena con 2 L de un gas ideal a 23°C . Un

extremos del cilindro está fijo a un pistón movible y el gas puedeexpandirse a una presión constante hasta que su volumen llega a 2.5L. ¿Cuál es la nueva temperatura del gas?

Ley de los gases ideales

• Ejemplo 3: El neumático de un automóvil se infla a una presiónmanométrica de 207 kPa (30 Lb/in^2) en un momento en que lapresión de los alrededores es de 1 atm y la temperatura es de 25°C.Después de manejarlo, la temperatura del aire del neumáticoaumenta a 40 °C. Suponga que el volumen de gas cambia sóloligeramente . ¿cuál es la nueva presión manométrica en elneumático?

Ley de los gases

• Ejemplo 4• Un tanque para oxígeno con un volumen interior de 20 litros se llena

con ese gas bajo una presión absoluta de 6 Mpa a 20°C . El oxígenose va a usar en un avión para grandes alturas, donde la presiónabsoluta es sólo 70 kPa y la temperatura es de -20 °c. ¿Qué volumende oxígeno será capaz de suministrar el tanque en esas condiciones?