1º BTO
Ciencia que estudia las transferencias energéticas y sus efectos sobre la materia
SISTEMA TERMODINÁMICO
VARIABLES TERMODINÁMICAS
(macroscópicas)
Se describen mediante
Volumen, presión, temperatura, densidad, cantidad de sustancia…
Se relacionan entre sí mediante las ecuaciones de estado
Ej.: PV = nRT
Son el resultado de los promedios de los estados y movimientos de las partículas
microscópicas que forman la materia
TEORÍA CINÉTICO – MOLECULAR DE LA
MATERIA
Se pueden explicar a través de
MATERIA FORMADA POR PARTÍCULAS EN CONTÍNUO
MOVIMIENTO
ENERGIA INTERNA
SUMA DE LAS ENERGÍAS DE LAS PARTÍCULAS QUE
LO FORMAN
Explicación desde la TCM (punto de vista microscópico)
E. CINÉTICA asociada a su movimiento interno
Gas idealAquel en el que sus
partículas se consideran puntuales
y que no interaccionan entre sí. Toda la
energía interna del gas es ENERGÍA CINÉTICA
E. POTENCIAL debida a las interacciones entre partículas
Es una MAGNITUD EXTENSIVA (depende
del conjunto de las partículas)
2. EQUILIBRIO TÉRMICO Y TEMPERATURA
PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA
Si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico con un tercer
sistema C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí.
Hay una magnitud escalar, llamada TEMPERATURA, tal que la igualdad de
las temperaturas de sistemas termodinámicos
SISTEMAS EN EQUILIBRIO
2. EQUILIBRIO TÉRMICO Y TEMPERATURA
MEDIDA DE LA TEMPERATURA
Se elige un cuerpo llamado TERMÓMETRO, con una determinada propiedad termométrica
Se fijan arbitrariamente los valores de la temperatura de dos estados reproducibles de alguna sustancia PUNTOS FIJOS
ESCALA CELSIUSPropiedad termométrica: longitud de una columna de mercurio
Puntos fijos: Fusión del hielo a 1 atm (0ºC) y ebullición del agua a 1 atm (100ºC)
Termómetro de referencia o patrón: TERMÓMETRO DE GAS A VOLUMEN CONSTANTE. (Escala absoluta)
Las dos escalas se relacionan T(K) = T(ºC) + 273,15
Ej.: 13, 18 y 19
2. EQUILIBRIO TÉRMICO Y TEMPERATURA
En un gas real, un líquido o un sólido la ENERGÍA INTERNA
ENERGÍA INTERNA no solo depende de la TEMPERATURA
Pero en todos los sistemas la temperatura es un indicador de la energía de las partículas
Ej.: 20 y 24
CALOR: Forma de transferencia de energía entre
cuerpos debido a su diferencia de temperaturas. (Del
de mayor al de menor T hasta que se alcanza el
EQUILIBRIO TÉRMICO)
UNIDADES:
Julio (J) (Sistema
Internacional)
Caloría (cal) (1J = 0,24 cal)
CRITERIO DE SIGNOS
Calor cedido < 0
Calor ganado > 0
PROPAGACIÓN DE LA ENERGÍA TÉRMICA
CONDUCCIÓN
En sólidos
Mediante choques que transfieren Ec sin variar posiciones relativas de
las partículas
CONVECCIÓN
En líquidos y gases
Calentamiento disminución de la densidad ascensión del fluido
Corrientes de convección igualan la T del fluido
RADIACIÓN
No se necesita medio material
Mediante ondas electromagnéticas (Sol, lámparas…)
EFECTOS DEL CALOR
VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA
Para que un cuerpo de masa m experimente una variación de
temperatura ∆T, debe intercambiar una cantidad de energía Q
Q = mc∆T CALOR ESPECÍFICO: energía necesaria para aumentar en un grado la
temperatura de la unidad de masa de una sustancia (J/kg∙K ó J/kg∙ºC)
Varía según el rango de temperaturas en el que se produce el
intercambio de calor
Varía según se produzca a presión o a volumen constantes (Esto en
gases).
EFECTOS DEL CALOR
DILATACIÓN TÉRMICA
Aumento de las dimensiones de los cuerpos al incrementar su
temperatura
SÓLIDOS
o Dilatación lineal l = lo (1 + λ ∙ ∆T)
o Dilatación superficial S = So (1 + β ∙ ∆T) β =
2 λ
o Dilatación cúbica V = Vo (1 + γ ∙ ∆T) γ=
3 λ
LÍQUIDOS
o Solo tienen dilatación cúbica.
o Coeficiente de dilatación K (100 veces mayor que en los
sólidos)
GASES
o El coeficiente de dilatación depende del tipo de proceso (por ser
muy compresibles.
o En un proceso a presión constante V = Vo (1 + γ ∙ ∆T) ; γ=
1/273 ºC-1
Ej.: 21, 22, 25-28, 30,
32-35
EFECTOS DEL CALOR
CAMBIOS DE ESTADO DE AGREGACIÓN
De un estado a otro más compacto por cesión de E
térmica
De un estado a otro con las partículas menos ligadas
por absorción de E térmica
Durante el cambio de estado, la temperatura
permanece constante y depende de la presión a la que se
encuentre la sustancia.
El calor intercambiado depende de la masa de la
sustancia y del calor intercambiado por unidad de masa
(Calor latente o ENTALPÍA de fusión, de condensación, de
vaporización…)
Q = m L El calor de un cambio de estado es igual al del cambio
de estado inverso (con signos opuestos)
TRABAJO: forma de transferir energía de un sistema a otro
mediante la acción de fuerzas aplicadas. Su valor
numérico se calcula a partir del producto de la fuerza por
el desplazamiento del cuerpo en la dirección de la fuerza.
TRABAJO DE EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN DE UN GAS.
Tenemos un GAS en un RECIPIENTE con ÉMBOLO aislado por paredes ADIABÁTICAS.
Si variamos las condiciones del gas, evolucionará hacia una nueva situación de equilibrio.
a)P , y se expande. Parte de la U se convierte en W para elevar el
émbolo T b)P y se comprime. El W realizado sobre el gas, le da energía U
T
Cambian las tres variables.
TRABAJO DE EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN DE UN GAS.
Tenemos un GAS en un RECIPIENTE con ÉMBOLO y paredes DIATÉRMANAS. Mantenemos su PRESIÓN CONSTANTE.
Para variar el VOLUMEN del gas, tendremos que variar la TEMPERATURA.
W = F ∙ ∆y = p ∙ S ∙ ∆y = p ∙ ∆V
a)Compresión W sobre el sistema W > 0b)Expansión el sistema realiza un W W < 0
Ej.: 38,40, 41, 45, 46
DIAGRAMA PRESIÓN - VOLUMEN
Si la presión no es constante NO se puede calcular el W = p ∙ ∆V
Si la evolución de la presión es lenta, se pueden representar los estados de equilibrio por los que pasa el sistema.
El W es el área bajo la curva que representa un proceso termodinámico en un diagrama presión – volumen.
Por convenio: a)Compresión W sobre el sistema W > 0 Sistema recibe energíab)Expansión el sistema realiza un W W < 0 Sistema transfiere energía
Ej. 48, 52 y resuelto B
La Energía del conjunto formado por el sistema y su medio siempre se conserva.
La Energía de todo sistema termodinámico es la suma de su Energía Interna y la Energía Mecánica macroscópica
Esistema = U + Em
Em = Ec macroscópica + Ep debida a la posición del centro de masas
La E ganada por el sistema en un proceso = E perdida por el medio
Ep
EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
Calor: Energía transferida en un proceso como consecuencia de la diferencia de temperatura.
JOULE midió el aumento de temperatura en una masa de agua aislada térmicamente al agitarla con unas paletas.
La Ep del cuerpo se transfiere al agua y su temperatura aumenta.
Equivalente Mecánico del Calor: Cantidad de Energía Mecánica para elevar 1 ºC la temperatura de 1 g de agua.
1 cal = 4,18 J
Ej. 51Ej. 51
Ep
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
En sistemas en los que la Energía Macroscópica no varía, el principio de conservación de la energía se puede expresar:
“La variación de Energía Interna, ΔU, de un sistema siempre es igual a la suma de la energía que intercambia con su entorno mediante calor y trabajo.”
ΔU = Q + W
Los valores de Q y W obtenidos dependen del proceso seguido desde el estado inicial al final pero la variación de U es independiente del proceso seguido (solo depende de los estados inicial y final). La U es una FUNCIÓN DE ESTADO Ej. C
resuelto, 48, 52, 55, 58
Ep
APLICACIONES DEL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Aplicación a un GAS IDEAL (Sistema p-V el W viene dado por compresión y Expansión)
CÁLCULO DE ΔU: -U solo depende de la T y, por ser FUNCIÓN DE ESTADO, de la ΔT-Se puede calcular ΔU si une dos estados a la misma T que el proceso dado.-Proceso isocórico : Trabajo nulo y el Q se calcula
Q = mCv ΔT
Ep
APLICACIONES DEL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Aplicación a un GAS IDEAL (Sistema p-V el W viene dado por compresión y Expansión)
CÁLCULO DE Q: -Directamente en procesos
- ADIABÁTICOS (Q=0)- ISOCÓRICOS ( Q=mcvΔT)- ISOBÁRICOS ( Q=mcp ΔT)- Resto de procesos PRIMER PRINCIPIO
CÁLCULO DE W: -Directamente en procesos
- ISOCÓRICOS ( W=0)- ISOBÁRICOS ( W=pΔV)- Resto de procesos PRIMER PRINCIPIO
VER TABLA PÁGINA 123 Y EJEMPLO.