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3. PROPIEDADES Y ESTADOS

3.1 LOS CONCEPTOS DE PROPIEDAD Y ESTADO

La propiedad es cualquier característica o atributo que se puedeevaluar cuantitativamente

• El volumen• La masa• La energía• La temperatura• La presión• La presión• La magnetización• La polarización• El color son propiedades de la materia.

Las propiedades son cosas que "posee" la materia

El trabajo y el calor no son propiedades

El estado de cualquier cosa es su condición y está descrita por me-dio de una serie de valores de sus propiedades.

El trabajo y el calor no son propiedades

• El trabajo y el calor se "realizan" sobre un sistema y producencambios en sus propiedades

• La cantidad de energía transferida depende de cómo se realizadicho cambio

• El estado termodinámico es la condición de la materia descritapor todas las propiedades termodinámicas

• No todas las propiedades varían independientemente• El estado termodinámico puede ser fijado por los valores dadospor solo unas cuantas propiedades termodinámicas

• El resto de las propiedades puede obtenerse por el valor deesas cuantas propiedades independientes

3.2 EL EQUILIBRIO Y LAS PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

• Sistema aislado y cerrado de dos gases• Pistón móvil, inicialmente fijado• Temperaturas, presiones y volúmenes diferentes• Fronteras rígidas y adiabáticas

• Para cada tipo de equilibrio existe una propiedad termodinámicaque dos sistemas tienen en comúnque dos sistemas tienen en común

• En la teoría de la termodinámica esta idea se utiliza para definira la propiedad

• Estas definiciones aplican exclusivamente a los sistemas enequilibrio.

Equilibrio termodinámico

• Se usa para indicar que existe una condición invariable conrespecto a todos los cambios macroscópicos posibles en un sis-tema donde las moléculas tienen la libertad de actuar entre síde cualquier forma

• No presenta flujo macroscópico de energía, materia o carga, apesar de que las moléculas se encuentran en libertad de pro-ducir dichos flujosducir dichos flujos

• Existe en una porción de materia que si se aísla y se observa noexisten cambios macroscópicos cuando las moléculas puedenmoverse con libertad para que intercambien energía, masa ocarga.

Propiedades termodinámicas y equilibrio termodinámico

• Las propiedades que en alguna forma son relevantes para laenergía se conocen como propiedades termodinámicas

• Cualquier propiedad definida en función de otras propiedadestermodinámicas debe ser también una propiedad termodinámica

• El término propiedad termodinámica se refiere exclusivamente aun sistema termodinámico en equilibrio.

3.3 MEDICION DE LAS PROPIEDADES

• La actividad microscópica continúa• La actividad microscópica continúa• El estado macroscópico ha llegado al equilibrio• Las mediciones macroscópicas tienen valores constantes y sonpropiedades del sistema en estado de equilibrio

• Los valores constantes de las propiedades corresponden a susvalores promedio y son suficientemente informativos para resol-ver los problemas de Ingeniería

• A estos promedios se les conoce como propiedades macroscó-picas

3.3.1 PRESIÓNConcepto.

• Mecánico: la fuerza por unidad de área que un fluido ejercesobre una pared

• Puede considerarse a la presión como el resultado de billonesde choques que suceden cada segundo entre las moléculas deun fluido y una pared sólida

La presión dentro del fluido estático

La presión dentro de un fluido en movimiento

• Se deben considerar las fuerzas viscosas y la definición de pre-sión tendrá que ser cuidadosa.

Mediciones de presión. Manómetro

Presión

• Manométrica, es la "sensada" sobre la atmosférica• Absoluta, considera la atmosférica

3.3.2 TEMPERATURAConcepto.

• Los movimientos moleculares tienden a ser más rápidos a altastemperaturas

• La energía tiende a pasar de las moléculas que forman una re-gión de mayor temperatura hacia las que se mueven lentamenteque conforman una región de menor temperatura.

• La temperatura es una propiedad de la materia• La energía interna de una sustancia depende en parte -pero nototalmente- de la temperatura

• La temperatura de una pequeña porción de materia es la mismade todo el cuerpo, la energía de una pequeña porción sólo esuna fracción de su energía total.

Medición de la temperatura. Termómetro

Temperatura

Ley Cero de la Termodinámica.

Si dos sistemas están en equilibrio térmico, deben tener la mismatemperatura. Si cada uno de ellos está en equilibrio con un tercero,los tres tendrán la misma temperatura, por lo que cualesquiera dosde ellos o los tres están en equilibrio térmico.

3.4 ESTADOS INTENSIVO Y EXTENSIVO

Las propiedades extensivas son aquellas que dependen del tamañoo extensión del sistema

• Volumen• Masa• Área superficial

Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen delLas propiedades intensivas son aquellas que no dependen deltamaño del sistema

• Temperatura• Presión

Cualquier propiedad extensiva, se puede convertir en una propiedadintensiva al dividirse por la masa,

El estado termodinámico intensivo de un sistema

• Está determinado por las propiedades termodinámicas inten-sivas

v = V/m

sivas

• Al determinarse su tamaño, la masa, se logra una descripcióncompleta del estado termodinámico extensivo.

3.5 EL POSTULADO DE ESTADO

3.5.1 Modo de trabajo reversible

Es aquella forma relevante de realizar y recibir la misma cantidad detrabajo, al partir y regresar al mismo estado .

dW = - p dV

Fig. 7 Modo de trabajo reversible por el cambio de volumen.

3.5.2 El postulado de estado

El número de propiedades termodinámicas que varían en formaindependiente para un sistema específico, es igual al número de tiposimportantes de trabajo reversible más uno.

El número de propiedades termodinámicas intensivas indepen-dientes de un sistema especifico, es igual al número de tipos impor-tantes de trabajo reversible más uno.tantes de trabajo reversible más uno.

p, Vp = const; V

T, UT = const; U

• No en cualquier caso, un par de variables son indep endientes

Fig. 8 Variación de propiedades independientes en una sustancia simple compresible.

3.6 ESTADOS DE SUSTANCIAS SIMPLES

• Las descripciones más simples de la materia se obtienen comosustancias idealizadas

• Una sustancia simple tiene solo un tipo relevante de trabajoreversible

• El postulado de estado establece que el número de propiedades• El postulado de estado establece que el número de propiedadestermodinámicas intensivas que varían en forma independientede una sustancia simple son dos

• El término sustancia simple compresible se aplica a cualquiersustancia en la que el único tipo importante de trabajo reversibleestá dado por el cambio de volumen y es p dv.

- Ninguna sustancia es realmente simple compresible

- Se encuentra que análisis ingenieriles satisfactorios se puedenhacer tratando a las sustancias involucradas como si fueran sus-tancias simples compresibles.

Pares de propiedades termodinámicas intensivas de una sustanciasimple compresible son:

(u, v) (u, p)

3.7 ECUACIONES DE ESTADO

- A partir del postulado de estado se sabe que la temperatura y lapresión de una sustancia simple compresible puede expresarsefuncionalmente como:

T = T(u, v) p = p(u, v)

Una ecuaciones de estado de una sustancia simple compresible esuna relación matemática que determina a una propiedad termodi-námica intensiva en función de cualesquiera dos propiedades termo-dinámicas intensivas que varían en forma independiente.

Se puede fijar completamente al estado termodinámico especificandoel valor de todas las propiedades termodinámicas dadas por susecuaciones de estado, a partir del valor de dos propiedades termo-dinámicas intensivas que varían independientemente.

Una sustancia simple compresible puede existir en varias formas.

• En forma gaseosa, las moléculas están muy separadas y semueven libremente encontrando que tienen nuevos vecinos,existe muy poca energía que está relacionada con las fuerzasintermoleculares.

• En forma líquida, las moléculas están mucho más compactadaspero aún se mueven con cierta libertad. Para romper las fuerzasintermoleculares de enlace que existen en los líquidos se nece-intermoleculares de enlace que existen en los líquidos se nece-sita suministrar gran cantidad de energía, a comparación conlos gases.

• En forma sólida, las moléculas están restringidas a una posicióndefinida dentro de una red cristalina y en consecuencia siempretienen a los mismos vecinos. La fusión de un sólido se logra alsuministrar suficiente energía para liberar individualmente a lasmoléculas. Existen varios tipos de estructuras en una red crista-lina y por tanto, diversos tipos de sólidos .