Termodinámica I

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Universidad Centroamericana José Simeón Cañas

Termodinámica I

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Guión de clase Termodinámica I

Termodinámica I

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Introducción Una teoría es más grandiosa, cuando mayor es la simplicidad de sus premisas, mayor numero de fenómenos relaciona y más extensa es el área de su aplicación. Esta es la razón fundamental de la profunda impresión que me causa la Termodinámica. Es la única teoría física de contenido universal respecto a la cual estoy convencido de que, dentro de la estructura de la aplicación de sus conceptos básicos, nunca será destruida.

A. E.

A partir del siglo XIX se construyeron las primeras máquinas de

vapor y, poco después, los motores de combustión interna. Como los

rendimientos de estas máquinas eran muy bajos, los constructores se

lanzaron a hacer análisis y experimentos más detallados; fue así

como Sadi Carnot, después de experimentar durante varios años con

una máquina de vapor, desarrolló las leyes de la transformación de

calor en trabajo. Estas leyes permitieron a Rodolfo Clausius

cuantificar la energía degradada y estableció el concepto de entropía

con el que se asiste al nacimiento de la Termodinámica.

La termodinámica en sus comienzos, se centró en el estudio de las

transformaciones mutuas de energía térmica en mecánica. En la

actualidad, es una ciencia que se encuentra en una fase de profundo

desarrollo. Constantemente surgen, en nuestros días, nuevos aspectos

de la misma que, sin tener todavía considerables aplicaciones

ingenieriles, suponen importantes aportaciones conceptuales. Han

nacido, de esta forma, la termodinámica estadística, basada en la

matemática probabilística y en el desarrollo de la teoría cinético –

molecular de la materia, y la termodinámica atómica cuyas bases

proceden de la teoría atómico – molecular.

Las realizaciones ingenieriles e incluso artesanales de la

termodinámica precedieron al nacimiento de esta como ciencia.

Thomas Newcomen, herrero de Dartford, y J. Cowley patentan, en

1705, sus ideas sobre la construcción de una máquina de vapor que,

el primero llevaría a cabo en 1712.

James Watt (1736 – 1819), nacido en Escocia y en cuyo honor se da

nombre a la Unidad Internacional de potencia, puso su pensamiento

a trabajar en los fundamentos científicos de la utilización del vapor.

En 1764, estudió, para repararla, una máquina de Newcomen. En

1769, desarrolló el condensador independiente y la máquina de doble

efecto. Inventó, además, ingeniosos dispositivos, entre los que figura

su famoso regulador. Sus trabajos le merecieron el grado de doctor

“honoris causa” por la Universidad de Glasgow.

El título de creador de la termodinámica como ciencia debe

atribuirse, con todo merecimiento, a Nicolas Leonard Sadi Carnot

(1796 – 1832), ingeniero militar francés, que en su obra “Reflexions

sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres a

developper cette puissance” (1824), estudia el ciclo termodinámico

ideal que lleva su nombre y establece operativamente el Segundo

Principio de la termodinámica. Incluso, a pesar de trabajar con el

Termodinámica I

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falso supuesto de la teoría del calórico, utiliza, sin enunciarlo, el

Primer Principio de la termodinámica.

A partir del trabajo de Carnot, puede señalarse un gran número de

importantes aportaciones entre las que se encuentran:

- 1834. El físico e ingeniero francés Benoit Pierre Emile

Clapeyron (1799 – 1864), profesor de mecánica de la

Escuela de Caminos de Paris, hace una interpretación,

analítica y grafica, de los estudios de Carnot. Establece,

junto con Clausius, la relación matemática que describe

el comportamiento de la presión de vapor del agua en

función de la temperatura. Introduce el diagrama pv y

formula la ecuación de los gases perfectos.

- 1842. Julius Robert Mayer (1814 – 1879), médico

alemán, enuncia el Primer Principio de la

Termodinámica y calcula el equivalente mecánico del

calor basándose en datos sobre los calores específicos

de los gases.

- 1843. James Prescott Joule (1818 – 1889), fue profesor

privado en Manchester (Inglaterra) y en su honor se da

el nombre a la Unidad Internacional de Trabajo.

confirma experimentalmente el Primer Principio y el

valor del equivalente mecánico del calor. Descubre,

junto con Lord Kelvin, el denominado Efecto Joule –

Thomson.

- 1847. El médico y físico alemán Hermann Ludwig

Ferdinand Helmholtz (1821 – 1894), formula de modo

preciso el Primer Principio como ley universal. Fue

cirujano del ejercito Prusiano, profesor de fisiología en

Konisberg (1849), Bonn (1855) y Heidelberg (1858).

Por último, fue profesor de física en Berlín (1871) y

presidente del Instituto Nacional de Técnica Física. En

el campo de la medicina inventó el oftalmoscopio.

- 1850. Rudolf Julius Emmanuel Clausius (1822 – 1888),

publica su trabajo “Ubre die bewegende Kraft der

Warme und die Gesetze, welche sich daraus fur die

Warmelehre selbst ableiten lassen” (Acerca de la fuerza

motriz del calor y las leyes que se derivan de ello para

la termología misma). En él, relaciona, por primera vez,

los trabajos de Mayer y Joule con los de Carnot y hace

una formulación completa de los dos Principios de la

termodinámica. Desarrolló la teoría cinético –

molecular de los gases e introdujo el concepto de

entropía. Fue profesor de física en la Escuela de

Ingenieros de Berlín y en las Universidades de Zurich,

Wurzburg y Bonn.

- 1851. William Thomson (Lord Kelvin) (1824 – 1907),

profesor durante 53 años de física natural en la

Universidad de Glasgow y en cuyo honor se da nombre

a la Unidad Internacional de Temperatura absoluta.

Mostró, junto con Clausius, que el Segundo Principio

no es dependiente de la teoría del calórico. Publicó

papeles técnicos sobre geofísica, electricidad,

magnetismo y otras ramas de la ciencia.

- William John Mac Quorn Rankine (1820 – 1872),

ingeniero escocés y profesor de la Universidad de

Termodinámica I

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Glasgow, introduce el ciclo teórico que lleva su nombre

y publica numerosos libros y más de 150 trabajos sobre

termodinámica, mecánica, canales, construcción de

buques, máquinas de vapor y sistemas de

abastecimiento de agua.

- James Clerk Maxwell (1831 – 1879), escocés, hizo

importantes aportaciones a la teoría cinético –

molecular de los gases. Fue autor de la teoría

electromagnética de la luz y estableció los grupos de

ecuaciones, que llevan su nombre en electricidad y

magnetismo. Se formó en la Universidad de Edimburgo

y en la Cambridge. Fue profesor de física y astronomía

en el King´s College de Londres y, en 1871, se

convirtió en el primer profesor de física experimental en

la Universidad de Cambridge.

- 1873. Johannes Diderik Van der Waals (1837 – 1923),

físico holandés, publica su trabajo “Over der

continuiteit van den gas en vloiestof toestand” (Acerca

de la continuidad de un gas en cambio de estado a

líquido). Formula la ecuación que lleva su nombre y

que expresa el comportamiento relativo de las fases

líquida y gaseosa de una sustancia. Establece también el

teorema de los estados correspondientes. Fue profesor

de física teórica, desde 1877, en la Universidad de

Ámsterdam. En 1910, se le concedió el premio Nobel

de Física.

- 1874. El ingeniero belga Alfred Belpaire (1820 – 1893),

introduce el diagrama Ts.

- 1875. Josiah Willard Gibbs (1839 – 1903), escribe su

trabajo “On the equilibrium of Heterogeneous

Substances” y establece la Regla de las Fases. Recibió

de la Universidad de Yale, en 1863, el primer Ph. D. en

ingeniería concedido en Norteamérica. Fue profesor de

física matemática en Yale hasta su muerte.

- 1904. Richard Mollier (1863 – 1935), profesor de la

Escuela Técnica Superior de Dresden, introduce el

diagrama hs del vapor de agua y el hHA del aire

húmedo.

- 1906. Hermann Walter Nernst (1864 – 1941), químico

físico alemán, enuncia su teorema del calor o principio

de inaccesibilidad del Cero Absoluto, denominado

también Tercer Principio de la termodinámica. Fue

profesor en Leipzig (1889), y en Göttingen (1894), de

donde pasó a Berlín (1905) como director del Instituto

de Química – Física de la Universidad, siendo

nombrado, en 1925, Director del Instituto de Física, al

suceder a M. Planck. Se le concedió el premio Nobel de

Química en 1920.

- 1915. Wilhelm Nusselt (1882 – 1957), establece los

fundamentos de la transmisión de calor.

- Max Planck (1858 – 1947), profesor de física de la

Universidad de Berlín desde 1889, contribuye a

establecer las bases de la teoría cuántica y hace una

formulación del Tercer Principio de la termodinámica.

Se la concedió el premio Nobel de física en 1918.

Termodinámica I

6666

Algunas Biografías

Sadi Carnot, físico francés, fue el

primero que demostró la relación

cuantitativa entre el trabajo y el calor.

Carnot nació en París el 1 de junio de

1976 y fue educado en la École

Polytechnique, de París, y en la École

Genie, de Metz. Sus intereses incluían

las matemáticas, la reforma

impositiva, el desarrollo industrial y

las bellas artes.

En 1824 publicó su único trabajo Reflexiones sobre de la potencia

motriz del calor, en el cual analizó la importancia industrial, política

y económica de la máquina de vapor. Ahí definió al trabajo como el

"peso levantado a cierta altura".

En 1824 demostró que la potencia de una máquina de vapor será

mayor cuanto mayor sea su temperatura de funcionamiento sobre la

temperatura ambiente. También consiguió determinar el porcentaje

de calor que utiliza la máquina para convertirlo en trabajo. Carnot fue

el fundador de la ciencia de la Termodinámica.

En 1831 Carnot empezó a estudiar las propiedades físicas de los

gases, en particular la relación entre la temperatura y la presión.

El 24 de agosto de 18 murió repentinamente de cólera. De acuerdo

con la costumbre de su época, todos sus objetos personales fueron

quemados, aunque por fortuna algunas de sus notas se salvaron del

fuiego. Las notas de Carnot condujeron a Lord Kelvin a confirmar y

ampliar la ciencia de la termodinámica en 1850.

(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/fisicos/carnot.htm).

James Watt, ingeniero y mecánico

escocés. Tras aprender en Londres

(1755) el oficio de constructor de

instrumentos matemáticos, empezó a

ejercer como tal al servicio de la

Universidad de Glasgow, ciudad

donde estableció un floreciente

negocio (1757) asociado con John

Craig.

En 1765, con motivo de la reparación

de un modelo de la máquina atmosférica de Newcomen, tuvo la idea

de mejorar su rendimiento añadiéndole un condensador, separado del

cilindro, para poder mantener a este último siempre caliente.

Watt patentó su invento en 1769 y obtuvo el patrocinio de John

Roebuck para emprender la construcción de una máquina de tamaño

normal que incorporase este nuevo método para reducir el consumo

de vapor y combustible; pero las dificultades a la hora de obtener

mano de obra especializada, así como materiales y herramientas

Termodinámica I

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adecuados, retrasaron el proceso. Tras la quiebra financiera de

Roebuck en 1773, Watt se asoció con Matthew Boulton, un industrial

de Birmingham, y la primera máquina de Boulton y Watt entró en

funcionamiento en marzo de 1776. En los años siguientes introdujo

una serie de importantes perfeccionamientos en la máquina, entre los

que destaca: la invención de un mecanismo, accionado por la propia

máquina, para inyectar alternativamente vapor a ambos lados del

pistón (máquina de doble efecto); la introducción del paralelogramo

articulado, que permitía resolver el problema de transmitir el impulso

del émbolo de movimiento rectilíneo al balancín cuyos extremos

describían un arco mediante un sistema de varillas; la incorporación

de un regulador que gobernaba la entrada de vapor y mantenía a la

máquina funcionando a velocidad uniforme; y la adopción del

engranaje planetario, que favoreció el uso industrial de la máquina al

capacitarla para producir un movimiento rotativo.

(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/ingenieros/watt.htm)

Benoit Pierre Emile Clapeyron,

ingeniero de minas francés nacido en

París.

Ingresó en la Escuela Politécnica en

1816, de la que salió dos años

después para ingresar en el cuerpo de

ingenieros de minas. En 1820 marchó

a Rusia donde dirigió varias obras

públicas y ocupó la cátedra de matemáticas puras y aplicadas de la

Escuela de Trabajos Públicos de San Petersburgo. De regreso a

Francia (1830) se dedicó a la construcción de varios ferrocarriles,

entre ellos el de París a Saint Germain y de París a Versailles (orilla

derecha). Fue admitido en la Academia de Ciencias en 1858.

El diagrama de Clapeyron se emplea en la representación del

estado de un sistema homogéneo, en el que se toman como abscisas

los volúmenes y como ordenadas las presiones correspondientes al

mismo. Se utiliza en la práctica para representar la evolución de un

gas: cuando éste sufre una transformación, varían su presión o su

volumen, o ambos a la vez; el punto representativo del estado del

sistema describe una curva determinada en el diagrama, llamada

curva de evolución del sistema.

La fórmula de Clapeyron es una relación que da el calor latente de

cambio de estado de un cuerpo puro en el curso de una transición de fase

del primer orden.

(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/ingenieros/clapeyron.htm)

Rudolf Julius Emmanuel Clausius,

físico alemán. Se doctoró en 1848 por

la Universidad de Halle. Fue profesor

de física en la Escuela Real de

Artillería e Ingeniería de Berlín y en

las universidades de Zurich (1855-

1867), Wurzburg y Bonn.

Termodinámica I

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Fue uno de los fundadores de la termodinámica. En 1850 enunció el

segundo principio de la termodinámica como la imposibilidad de

flujo espontáneo de calor de un cuerpo frío a otro de caliente, sin la

aplicación de un trabajo externo.

En 1865 introdujo el término entropía, definido como la capacidad del

calor para desarrollar trabajo, y demostró que la entropía del sistema se

incrementa en un proceso irreversible. Llevó a cabo así mismo

investigaciones sobre la teoría cinética de los gases y los fenómenos

electroquímicos.

(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/fisicos/clausius.htm).

William Lord Kelvin of

Largs, catedrático de fisica,

trabajó, a partir de 1846, en

Glasgow dedicándose en

especial a la investigación en

los campos de la

termodinámica y de la

electricidad. Gracias a

consideraciones de carácter

teórico logró formular la teoría de la «muerte entrópica» a - 273,15

°C, es decir, establecer el punto correspondiente a la temperatura del

cero absoluto.

Además, estableció en el año 1848 una escala de temperatura que

dividida de forma similar a la escala Celsio o centígrada, considera

como punto cero el correspondiente al cero absoluto. La unidad

empleada por él era el grado Kelvin (que en la actualidad se

simboliza mediante K).

En colaboración con James Prescott Joule, Kelvin descubrió en 1853

el «efecto de estrangulación» y, en 1856, el efecto Thomson

termoeléctrico, que permite expresar la generación de calor en los

conductores por los que circula la corriente eléctrica.

Con independencia de Rudolf Clausius, descubrió el segundo

principio de la termodinámica.

En el campo de la electrotecnia, Kelvin se distinguió por el empleo

de nuevos procedimientos de medida y nuevos tipos de instrumentos,

por las mejoras introducidas en telegrafia por cable y por el tendido

del primer cable submarino funcional a través del Atlántico Norte.

Efecto Thompson.: El paso de una corriente eléctrica en un conductor

filiforme homogéneo, pero cuyos diferentes puntos son mantenidos a

temperaturas distintas, produce una transformación de la energía eléctrica

en energía térmica.

(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/fisicos/kelvin.htm)

John Mac Quorn Ranking, ingeniero y físico británico, nacido en

Edimburgo, contribuyó a dar una orientación moderna a la técnica de las

construcciones y a la ingeniería mecánica, sistematizando sobre bases

racionales las muchas nociones y hábitos de trabajo que habían ido

evolucionando con la práctica.

Termodinámica I

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Desde 1840 se dedicó al estudio de las

leyes de la termodinámica; en el Manual

of the Steam Engine (1859) desarrolló

analíticamente el complejo de las

transformaciones del vapor en las

máquinas térmicas, y estableció el ciclo

termodinámico característico (ciclo de

Rankine). Defensor convencido de la

«energía», desempeñó un importante

papel en los debates teóricos de la física de la segunda mitad del siglo

XIX. En un escrito de 1855, Outlines of the Science of Energetics

(Esbozos para una ciencia de la energía), propuso asumir los principios de

la termodinámica para comprender los fenómenos físicos.

(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/fisicos/rankine.htm)

Johannes Diderik Van der Waals,

físico holandés, nacido en Leiden.

Profesor de las universidades de La

Haya (1877) y Amsterdam (1908), es

conocido por la ecuación del estado de

los gases reales (ecuación de Van der

Waals) que permite una mayor

aproximación a la realidad física que la

ecuación de los gases ideales, al tener

en cuenta las fuerzas de interacción existentes entre las moléculas, y

le supuso la concesión, en 1910, del Premio Nóbel de Física.

(P + a/V2) (V-b) = RT

Si a = b = 0, queda: PV = RT

Desarrolló, además, investigaciones sobre la disociación electrolítica,

sobre la teoría termodinámica de la capilaridad y sobre estática de fluidos.

Estudió así mismo las fuerzas de atracción de naturaleza electrostática

(fuerzas de Van der Waals) ejercidas entre las moléculas constitutivas

de la materia, que tienen su origen en la distribución de cargas positivas y

negativas en la molécula.

(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/fisicos/van_der_waals.htm)

Termodinámica I

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Introducción al estudio de la termodinámica.

Lo que se desarrolla a lo largo del curso es la ingeniería

termodinámica, la cual es una disciplina física de segunda etapa. Se

apoya, por un lado, en la termodinámica pura, que es un primer

entender y una primera experimentación física de la realidad, y, por

otro, pretende encaminarse hacia las disciplinas tecnológicas de

tercera etapa que tratan de la ingeniería de base y de desarrollo de

sistemas termodinámicos concretos y específicos.

Ingeniería es el arte de concebir y realizar, desde el hombre, un

proyecto encaminado hacia una transformación útil, coherente y

armónica de su entorno, con la finalidad de producir un mayor

servicio a toda la comunidad humana. Es en este pensar y hacer que

surge la ingeniería termodinámica como una parte de la actividad de

los ingenieros que se ocupa de prever, justificar analíticamente,

elegir, innovar, diseñar, implantar y mantener las instalaciones de los

sistemas termodinámicos.

El objeto de la termodinámica es encontrar entre las coordenadas

termodinámicas (propiedades termodinámicas) relaciones generales

coherentes con sus principios básicos. Un sistema que puede

describirse mediante coordenadas termodinámicas se denomina

sistema termodinámico. Las magnitudes macroscópicas que están

relacionadas con el estado interno de un sistema se denominan

coordenadas termodinámicas, tales coordenadas se utilizan para

determinar la energía interna de un sistema.

- Sistema, Dimensiones y Unidades. En termodinámica, como en la física en general, el comprender un

fenómeno implica observarlo; para esto es necesario delimitar la

región a observar. Los límites de esta región pueden ser reales o

imaginarios. A esta región le llamamos sistema, en nuestro caso,

sistema termodinámico. Siendo más detallista, un sistema

termodinámico se define como

cualquier cantidad de materia o

cualquier región del espacio a

la que dirigiremos nuestra

atención para propósitos de

análisis. La cantidad de materia

o región del espacio debe estar

dentro de una frontera

específica. Esta frontera puede

ser deformable o rígida; puede

ser, incluso, imaginaria. Todo

aquello que está fuera de la

frontera de un sistema se le

Unidad

I

Arreglo cilindro – pistón, ejemplo de sistema cerrado

Termodinámica I

11111111

llama medio ambiente y a la parte de este que puede ser modificado

por el sistema se designa como entorno (o alrededores inmediatos).

Se pueden distinguir dos tipos de sistemas: los sistemas cerrados y

los volúmenes de control (sistema abierto). Cuando hablamos de

sistema cerrado, nos referimos a una cantidad fija de masa; y cuando

hablamos de volúmenes de control nos referimos a regiones del

espacio que pueden ser atravesadas por flujos de masa. A lo que

observamos de un sistema le

llamamos sus propiedades, las

cuales pueden ser el volumen, la

presión, la densidad, la

composición, la textura, el color,

masa, conductividad, la

temperatura, la viscosidad, la

tensión superficial, el calor

específico, etc. Estas propiedades

se observan con el objeto de

compararlas entre ellas mismas en otro instante, en el mismo sistema

o con propiedades similares de otros sistemas.

Cada propiedad tiene las mismas dimensiones (tipos de unidades o

cantidades básicas). Las cantidades físicas, las dividimos en básicas y

derivadas, donde las básicas son las mínimas necesarias para

describir completamente el mundo físico y las derivadas son

combinaciones matemáticas (definición operacional) de las básicas.

El número preciso de las básicas es siete (ver tabla), todas las demás

se definen a través de estas.

- Sistema internacional. En el sistema internacional (SI), la unidad básica para la longitud es

el metro (m), para el tiempo es el segundo (s), para la masa es el

kilogramo, para la cantidad de sustancia es el mol (mol).

Un mol de una sustancia es igual a la cantidad de sustancia de un

sistema que contiene tantos elementos estructurales ( átomos,

moléculas, iones, electrones y otras partículas o grupos especificados

de partículas ) como átomos contiene una masa de 0.012 kg de

carbono 12.

Cantidades y unidades básicas del SI

Masa kilogramo kg El kilogramo equivale a la masa del

kilogramo patrón internacional. Longitud metro m El metro equivale a 1650763.73 veces la

longitud de onda de la radiación emitida por los átomos del nucleido 86Kr, en la transición entre el estado 5d5 y el estado 2p10, propagándose en el vacío.

Tiempo segundo s El segundo equivale a 9192631770 veces el

período de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles de la estructura hiperfina del estado fundamental de los átomos de nucléido 133Cs.

Aire acondicionado de ventana, ejemplo

de sistema abierto.

Termodinámica I

12121212

Corriente eléctrica

amperio A

El amperio equivale a la intensidad de una corriente eléctrica constante en el tiempo que, al circular en el vacío por dos conductores paralelos situados a un metro de distancia, rectilíneos e infinitos, de sección circular y despreciable, da lugar a una fuerza de atracción mutua entre los conductores de 2 x 10-7 neutronios por metro.

Intensidad luminosa

candela cd

La candela es la intensidad de luz que emite 1/600000 metros cuadrados de la superficie de un cuerpo negro a una temperatura correspondiente a la solidificación del platino a una presión de 101325 neutronios por metro cuadrado, y perpendicular a su superficie.

Cantidad de sustancia

mol mol

El mol equivale a la cantidad de materia de un sistema constituido por tantas partículas como átomos contiene 12/1000 kilogramos de nucleido del carbono 12C.

Temperatura termodinámica

kelvin K

El kelvin equivale a la 273.16-ava parte de la temperatura termodinámica del punto triple del agua (aprox. 0.01 ºC)

Unidades suplementarias del SI Ángulo plano radian rad Ángulo sólido estereoradian sd

Unidades derivadas Fuerza Newton kg m

/s2=J/m�

N

Energía Julio kg m2/s2=N m�

J

Potencia Watio kg m2/s3=J/s�

W

Por ejemplo, la velocidad es una relación entre una longitud y un

intervalo de tiempo, se define a través de su definición operacional,

V = longitud / tiempo, por tanto la velocidad es una cantidad

derivada, con dimensiones L / T.

La densidad se define como una relación entre masa y volumen,

donde el volumen es una relación entre tres longitudes, ρ = masa/

volumen, con dimensiones M / L3.

- Propiedades Termodinámicas. Masa, Volumen, Presión, Energía. La masa de un sistema es una medida de la cantidad de materia que

hay en el mismo y es directamente proporcional al número de

moléculas presentes en el sistema (la constante de proporcionalidad

es el peso molecular dividido por el número de Avogadro).

El volumen es una medida del tamaño físico del sistema y se define

por la porción de espacio que ocupa el sistema.

Termodinámica I

13131313

Estamos familiarizados con el término energía mecánica, que tiene

que ver con la posición y rapidez de un cuerpo. Hay que observar que

un cuerpo en reposo, con un marco de referencia adecuado, tiene una

energía mecánica constante e igual a cero. Esto no quiere decir que el

cuerpo no tiene energía, ya que basados en un punto de vista

microscópico, podemos decir que los componentes del cuerpo

(moléculas) si tienen movimiento y por tanto energía asociada a ellas.

Las energías que podemos asociarle a estos componentes son energía

de traslación, energía de

rotación, energía de

vibración y las

contribuciones nucleares y

electrónicas, las cuales solo

mencionaremos ya que para

nuestro curso las

consideraremos constantes y

por tanto no participativas.

La sumatoria de estos tipos

de energía es igual a la

energía interna del sistema,

por tanto, la energía total del

sistema es la suma de la

energía mecánica (externa)

con la energía interna.

UEE m +=

Si un sistema homogéneo se divide en dos partes, la masa de la

totalidad del sistema es igual a la suma de la masa de las dos partes.

El volumen del todo es también igual a la suma de los volúmenes de

las partes. Por otra parte, la temperatura del todo no es igual a la

suma de las temperaturas de las partes. De hecho, la temperatura,

presión y densidad del todo son iguales que los de las partes. Esto

nos lleva a distinguir entre propiedades extensivas e intensivas. Si el

valor de una propiedad de un sistema es igual a la suma de los

valores de esa propiedad en cada parte del sistema, la propiedad es

una propiedad extensiva (la masa, el volumen, la energía, la entalpía,

la entropía, etc. son ejemplos de estas). En contraste, una propiedad

intensiva es aquella que tiene en cualquier parte de un sistema

homogéneo el mismo valor que en la totalidad del sistema.

Si el valor de una propiedad extensiva se divide por la masa del

sistema, la propiedad resultante es intensiva y se conoce como

propiedad específica. Una de estas propiedades es el volumen

específico que se define como v = V / m, el volumen es una

propiedad extensiva, pero el volumen específico es una propiedad

intensiva.

- Procesos Termodinámicos. Equilibrio Térmico, Estados de Equilibrio. En este punto es conveniente recordar el concepto de equilibrio

mecánico. Todo sistema mecánico tiende a dirigirse a posiciones de

equilibrio estable, de forma que los sistemas experimentan una fuerza

resultante en dirección del punto de energía potencial mínima (pozo

m

Termodinámica I

14141414

de potencial) siendo cero la fuerza si el sistema está en esa posición

(punto de equilibrio estable). En general, los sistemas no tienen un

único punto de equilibrio

estable, pueden tener

varios y si la fuerza es

suficiente, estos pueden

ser sacados de un punto de

equilibrio y movido a otro.

En mecánica, cuando

hablamos de cambio de

posición de un sistema,

nos estamos refiriendo a

un desplazamiento; en

general, a un cambio de

coordenadas (X, Y, Z). Dependiendo de cómo sea ese cambio, afecta

a otras propiedades mecánicas como la velocidad, aceleración,

cantidad de movimiento, energía cinética, energía potencial, etc. En

forma similar, termodinámicamente, un sistema puede sufrir un

“desplazamiento” interno. Sus “coordenadas” internas pueden

cambiar desde una “posición” inicial hasta una “posición” final. A

estas “posiciones” termodinámicas del sistema le llamamos estados,

y a los “desplazamientos” termodinámicos le llamamos procesos.

Estos procesos pueden cambiar los valores de otras propiedades

termodinámicas como la entalpía, la entropía, la energía interna, etc.

Cuando hablamos de estado de un sistema, nos referimos a valores

determinados de sus propiedades, de forma que el sistema está en

algún punto de equilibrio y por tanto el valor de cada una de las

propiedades es válida para todo el sistema; o sea, el valor de la

propiedad es único para el sistema cuando este está en equilibrio y,

por consiguiente, en un estado determinado.

Sabemos que puede darse una descripción macroscópica (definir el

estado) de una mezcla gaseosa especificando magnitudes tales como

la composición, la masa, la presión y el volumen. La experiencia

demuestra que, para una composición dada y una masa constante, son

posibles muchos valores distintos de la presión y el volumen. Si se

mantiene constante la presión, el volumen puede variar dentro de un

amplio intervalo de valores, y viceversa. Dicho de otro modo, la

presión y el volumen son coordenadas independientes.

Análogamente, la experiencia demuestra que para un alambre de

masa constante, la tensión y la longitud son coordenadas

independientes. Por el contrario, hay sistemas compuestos, formados

por un cierto número de partes homogéneas, que precisan la

especificación de dos coordenadas independientes por cada parte

homogénea.

El estado de un sistema en el que X y Y (X y Y son dos propiedades

cualquiera de un sistema) tienen valores definidos, que permanecen

constantes mientras no se modifican las condiciones externas, se dice

que es un estado de equilibrio. La experiencia demuestra que la

existencia de un estado de equilibrio en un sistema depende de la

proximidad de otros sistemas y de la naturaleza de la pared de

separación entre ellos. Las paredes pueden ser adiabáticas o

diatérmanas. Si la pared es adiabática, un estado YA, XA del sistema

Termodinámica I

15151515

A puede coexistir en equilibrio con un estado YB, XB del sistema B

para cualesquiera valores posibles de las cuatro magnitudes, siempre

que la pared resista los esfuerzos provocados por la diferencia entre

ambos conjuntos de coordenadas. Si los dos sistemas están separados

por una pared diatérmana, los valores de YA, XA e YB, XB cambiarán

espontáneamente hasta que se alcance un estado de equilibrio del

conjunto. Entonces se dice que ambos sistemas se encuentran en

equilibrio térmico entre sí. El equilibrio térmico es el estado

alcanzado por dos (o más)

sistemas, caracterizado

por valores particulares de

las coordenadas de los

sistemas después de haber

estado en comunicación

entre sí a través de una

pared diatérmana.

- Ley Cero de la Termodinámica. Concepto de Temperatura. Imaginemos dos sistemas A y B separados entre sí por una pared

adiabática, pero cada uno de ellos en contacto a través de una pared

diatérmana con un tercer sistema C, estando todo el conjunto rodeado

por una pared adiabática. La experiencia demuestra que ambos

sistemas alcanzarán el equilibrio térmico con el tercero y que no

tendrá lugar cambio alguno si posteriormente, se sustituye la pared

adiabática entre A y B por una pared diatérmana. Dos sistemas en

equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio térmico entre sí.

A este postulado se le llama principio cero de la termodinámica.

Una isoterma es el lugar de todos los puntos que representan estados

en los cuales un sistema se halla en equilibrio térmico con un estado

de otro sistema. Puede decirse que los sistemas en estos estados,

Termodinámica I

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poseen una propiedad que asegura que se encuentran en equilibrio

térmico entre sí. Denominamos temperatura a esta propiedad. Para

fijar una escala de temperatura empírica, seleccionamos como patrón

un cierto sistema de coordenadas Y y X, al cual denominamos

termómetro, y adoptamos un conjunto de reglas para asignar un valor

numérico a la temperatura asociada a cada una de sus isotermas. A la

temperatura de cualquier otro sistema en equilibrio térmico con el

termómetro le asignamos el mismo valor temperatura de este.

Sea X una cualquiera de las propiedades termodinámicas de un

sistema a través de la cual decidimos, arbitrariamente, definir una

escala de temperatura de forma que esta sea directamente

proporcional a X. De este modo, la temperatura común al termómetro

y a todos los sistemas en equilibrio térmico con él viene dada por

( ) .)(, cteYXaX ==θ

Debe observarse que cuando esta relación arbitraria se aplica a

diferentes tipos de termómetros se obtienen diferentes escalas de

temperatura, e incluso, cuando se aplica a diferentes sistemas del

mismo tipo. En forma análoga, se pudo escoger a Y como la

propiedad termométrica y dejar a X constante. En general, la

temperatura es función de dos propiedades, q = f(X, Y), pero si

mantenemos Y constante, la función sólo depende de X, q = g(X).

Como lo que estamos haciendo es definiendo una escala para medir

temperaturas, y, por tanto, se escoge la relación más sencilla. Con

esta relación podemos medir indirectamente la temperatura a través

de la medición de X.

Cuando no existe desequilibrio de fuerzas en el interior de un sistema

e igualmente no lo hay entre el sistema y su entorno, se dice que el

sistema está en estado de equilibrio mecánico. Cuando no se

satisfacen estas condiciones, ya sea el sistema solo o el sistema y su

entorno, experimentarán un cambio de estado que sólo cesará cuando

se haya restablecido el equilibrio mecánico. Si un sistema en

equilibrio mecánico no tiende a experimentar un cambio espontáneo

de estructura interna, tal como una reacción química o una

transferencia de materia de una parte del sistema a otra, se dice que

se halla en estado de equilibrio químico.

Existe equilibrio térmico cuando no hay cambio espontáneo en las

coordenadas de un sistema en equilibrio mecánico y químico si se le

separa de su entorno mediante una pared diatérmana. Cuando se

cumplen las condiciones para los tres tipos de equilibrio, se dice que

el sistema se halla en estado de equilibrio termodinámico. Los

estados de equilibrio termodinámico pueden describirse en términos

de coordenadas macroscópicas sin intervención del tiempo; es decir,

en función de coordenadas termodinámicas. Si no se cumplen las

condiciones de equilibrio mecánico y térmico, los estados por los

cuales pasa el sistema no pueden describirse en función de

coordenadas termodinámicas referidas al sistema en conjunto.