Termodinámica - Universidad de Sevilla

Tema 7: Termodinámica
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Termodinámica
Fátima Masot Conde
Ing. Industrial 2007/08
Fátima Masot Conde
Dpto. Física Aplicada III
Universidad de Sevilla
Tema 7: Termodinámica
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Termodinámica
¿Cómo
¿Cómo enfría
enfría un
un
frigorífico?
frigorífico? ¿Cómo
¿Cómo
funciona
funciona un
un motor
motor de
de un
un
coche?
coche? ¿Por
¿Por qué
qué se
se derrite
derrite
elel hielo
hielo en
en un
un vaso
vaso de
de
agua?
agua?
Fátima Masot Conde
Dpto. Física Aplicada III
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Tema 7: Termodinámica
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Termodinámica
La
La Termodinámica
Termodinámica estudia
estudia los
los
fenómenos
fenómenos relacionados
relacionados con
con
las
las transferencias
transferencias de
de energía
energía
entre
entre un
un sistema
sistema yy su
su entorno.
entorno.
Esto
Esto ya
ya lo
lo hemos
hemos hecho
hecho en
en
Mecánica.
Mecánica. ¿Cuál
¿Cuál es
es la
la
novedad
novedad que
que introduce
introduce la
la
Termo?
Termo?
Fátima Masot Conde
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Tema 7: Termodinámica
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Termodinámica
Termodinámica
Termodinámica clásica:
clásica:
Obvia
Obvia los
los conceptos
conceptos de
de espacio
espacio yy tiempo
tiempo
En general:
sistemas
homogéneos
estados de equilibrio
o reposo
Un
Un nombre
nombre más
más adecuado:
adecuado:
“Termoestática”
“Termoestática”
Para sistemas no equilibrados:
“Termodinámica de los
procesos irreversibles”
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Tema 7: Termodinámica
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Termodinámica.
Temperatura y
Principio cero
Esquema General
— Define el equilibrio térmico y la temperatura
Primer Principio. - Joule (1843)— Equivalencia entre calor y trabajo —
Conservación de la energía
Segundo Principio. Carnot (1824)— Dirección según la cual tienen lugar
los procesos termodinámicos
Clausius (1865): Introduce el concepto de
“entropía”. Establece el primer y segundo principio
de forma simple:
1.La energía del universo es constante
2.La entropía del Universo tiende a un máximo
Tercer Principio
Fátima Masot Conde
Nerst- Fija un límite de la temperatura
termodinámica y de la entropía.
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Tema 7: Termodinámica
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Termodinámica.
Esquema General
Índice de Temas:
Tema 7. Introducción y conceptos básicos.
8. Temperatura y Principio Cero.
9. Primer Principio.
10. Gases ideales.
11. Segundo Principio.
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Tema 7: Termodinámica.
Conceptos básicos
Fátima Masot Conde
Ing. Industrial 2007/08
Fátima Masot Conde
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Tema 7: Termodinámica
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Tema 7: Termodinámica. Conceptos Básicos
Índice:
1. Introducción.
2. Sistemas termodinámicos
3. Equilibrio termodinámico
4. Transformaciones termodinámicas.
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Tema 7: Termodinámica
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Introducción
¿Qué
¿Qué estudia
estudia la
la termodinámica?
termodinámica?
Relaciones entre calor y trabajo, trata cualquier
fenómeno físico desde el punto de vista de los
intercambios energéticos Q, W
Abarca
Abarca todos
todos los
los Electromagnetismo: efecto
campos
campos de
de la
la Física
Física Peltier, efecto Joule, pilas,
termopares, enfriamiento por
Química: Predicción del
campos magnéticos…
sentido de reacciones,
Mecánica-Ingeniería:
equilibrios…
Propagación de ondas
Meteorología: Humedad,
sonoras, refrigeración,
predicción…
turbinas, motores, cohetes…
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Tema 7: Termodinámica
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Introducción
Apogeo
Apogeo de
de la
la termodinámica:
termodinámica: Siglo
Siglo XIX.
XIX.
Revolución/desarrollo
Revolución/desarrollo industrial
industrial
Con
Con la
la mejora
mejora de
de rendimientos/eficiencias
rendimientos/eficiencias
en
en máquinas
máquinas térmicas
térmicas
Termodinámica
Termodinámica clásica:
clásica:
Obvia
Obvia los
los conceptos
conceptos de
de espacio
espacio yy tiempo
tiempo
sistemas
homogéneos
Fátima Masot Conde
Dpto. Física Aplicada III
estados de equilibrio
o reposo
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Introducción
•Descansa sobre principios que se admiten sin
demostración única.
•Validación de los principios: experiencia
•Estudia los sistemas desde el punto de vista
macroscópico (obvia la estructura de la materia)
Teoría
cinético-molecular
Termodinámica
Mecánica
estadística
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interpretación microscópica de
las abstracciones macroscópicas
que usa la termodinámica clásica
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Tema 7: Termodinámica
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Introducción
Es una disciplina fenomenológica: estudia los fenómenos
que ocurren en los sistemas desde un punto de vista
macroscópico, en función de propiedades físicas
observables y medibles. No realiza hipótesis sobre la
configuración íntima de la materia y sus principios son
independientes de una imagen molecular.
Trata con sistemas reales, aunque a veces algunas
situaciones hayan de aproximarse a condiciones
idealizadas para resolver problemas
Poder
Poder “legislativo”
“legislativo” de
de la
la Física:
Física: Ningún
Ningún fenómeno
fenómeno físico
físico
puede
puede irir en
en contra
contra de
de los
los tres
tres principios
principios termodinámicos
termodinámicos
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Tema 7: Termodinámica
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Introducción
Variables o coordenadas termodinámicas
Magnitudes macroscópicas
observables que, de forma conjunta,
definen completamente el estado
termodinámico del sistema
¿Qué son?
¿Cuáles son?
Por ejemplo,
para un gas ideal:
Presión, P
Volumen, V
Temperatura, T
Para un hilo tenso, tensión, longitud del hilo, etc.
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Tema 7: Termodinámica
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Introducción
Macroscópicas:
¿Por qué
macroscópicas?
No tiene sentido aplicarlas a un número
reducido de partículas (son el efecto
observable de propiedades moleculares).
Por ejemplo, la temperatura=efecto
observable de la EK de las partículas.
Sus variaciones (diferenciales)
siendo macroscópicas.
siguen
El volumen=efecto
observable de los
volúmenes ocupados
por las partículas.
Un dV es un cambio de volumen muy pequeño
comparado con el volumen del sistema, pero
suficientemente grande como para contener un
gran número de partículas.
La presión=efecto
observable de la
presión ejercida por
cada partícula.
Un dP es un cambio de presión muy pequeño
comparado con la P del sistema, pero
suficientemente grande para despreciar las
fluctuaciones de presión debidas a los choques de
partículas individuales con la pared del recipiente.
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Tema 7: Termodinámica
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Introducción
¿Por qué 'de
forma conjunta'?
Porque por sí solas no definen el
estado, las tres son necesarias para
definir el estado del sistema (son
independientes).
definen unívocamente
{P,V,T}
Estado
Otras variables que dependen de ellas:
φ(P, V, T ) =‘función de estado’
Ejemplos:
Fátima Masot Conde
'funciones
'funciones de
de
estado'
estado'
Entropía
S
Energía interna
U
Entalpía
H
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Sistema termodinámico
Entorno
Sistema
S
Superficie
(real o ficticia)
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Entidad diferenciada
del entorno, mediante
una superficie S
Un sistema termodinámico puede
ser cualquier cosa: la mezcla de un
refrigerador, una pila eléctrica, un
alambre tenso, un cilindro de
automóvil, una pompa de jabón, un
agujero negro, una estrella, el
Universo…
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Sistema termodinámico
Si S permite
intercambios
de materia
Entorno
Si no
Sistema
•Superficie permeable
•Sistema abierto
•Superficie impermeable
•Sistema cerrado
Si S permite
cambios de volumen
Pared móvil o
superficie deformable
S
Si no
Si permite intercambios de calor
Si no
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Pared inmóvil,
indeformable, o rígida
Superficie diaterma
Superficie adiabática
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Sistema termodinámico
Clasificación de los límites o paredes del sistema
Respecto a un
Sí
No
Cambio de volumen
móvil
rígida
Flujo de calor
diaterma
adiabática
Flujo de materia permeable
impermeable
Sistema
aislado
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Sistema termodinámico
Energía
Materia
Sistema
Energía
Sistema
Sistema
Abierto
Cerrado
Aislado
∀ sistema +
su entorno
Paredes rígidas, adiabáticas e
impermeables dm=0, dQ=0, dW=0
Fátima Masot Conde
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Sistema termodinámico
Q>0
Q<0
Sistema
W<0
W>0
Convenio de signos “egoísta”
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Equilibrio termodinámico
Estado
Estado en
en elel que
que las
las variables
variables termodinámicas
termodinámicas que
que
lo
lo definen
definen no
no experimentan
experimentan cambios
cambios espontáneos
espontáneos
Clases de intercambio
con el exterior
Clases de equilibrio
Según
Según el
el intercambio:
intercambio:
∃
∃
∃
Intercambio
de materia
Equilibrio
químico
Intercambio
de trabajo
Equilibrio
mecánico
Intercambio
de calor
Equilibrio
térmico
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Equilibrio termodinámico
O también:
Comp. química
C.Q.=cte
P=cte
T=cte
Equilibrio químico
Equilibrio mecánico
P,V,T=ctes
Equilibrio térmico
Equilibrio
termodinámico
o bien
f (P, V, T ) = 0
Si el sistema es heterogéneo:
Equilibrio de fases
Fátima Masot Conde
Ecuación
Ecuación de
de estado:
estado:
Relación
que
Relación que liga
liga las
las coordenadas
coordenadas
termodinámicas
en
el
equilibrio.
termodinámicas en el equilibrio.
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Equilibrio termodinámico
Ejemplos de ecuación de estado:
cte de los gases ideales
P V = nRT
Gas ideal:
nº de moles
ctes
´
³
a
P + n2 2 (V − nb) = nRT
V
Gas de
Van der Waals:
P,V,T = variables de estado
En el equilibrio, sólo es necesario especificar dos variables de
estado. La tercera queda definida automáticamente por la
ecuación de estado.
Fátima Masot Conde
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Transformaciones o procesos termodinámicos
El sistema pasa de unas variables termodinámicas
a otras
{Vf,Pf,Tf}
{Vi,Pi,Ti}
proceso
termodinámico
{Vi,Pi,Ti}
{Vf,Pf,Tf}
Ti=Tf
{Vi,Pi,Ti}
{Vf,Ti,Pf}
Proceso isotermo
Vi=Vf
{Vi,Pi,Ti}
{Vi,Tf,Pf}
Proceso isocoro
Pi=Pf
{Vi,Pi,Ti}
{Vf,Tf,Pi}
Proceso isobaro
Q=0
{Vi,Pi,Ti}
{Vf,Tf,Pf}
Proceso adiábatico
Fátima Masot Conde
Q=0
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Distinción entre variables de estado y variables de transformación
Variables de estado
Variables de proceso
P
V
T
Presión
Volumen
Temperatura
Q
W
Calor
Trabajo
Q1 , W 1
B
(PB,VB,TB)
A
B
A
Q2 , W2
Q3 , W 3
(PA,VA,TA)
Definen el estado de equilibrio
Fátima Masot Conde
Definen la transformación. Los
estados intermedios no tienen
por qué ser de equilibrio
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Tipos de transformación: procesos reversibles e
irreversibles
A veces, algunas situaciones se han de aproximar a
condiciones idealizadas para resolver problemas. Así,
una transformación real (---) entre dos estados A y
B, se puede modelar a través de una transformación
ideal ( ) que pase por sucesivos estados de equilibrio
puntos de equilibrio:
transformación reversible (ideal)
x
x x
transf. ideal
A
B
transf. real
x x x
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puntos de no equilibrio:
transformación irreversible
(real)
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Tipos de transformación
Por ejemplo: estamos acostumbrados a que un sistema
cambie su temperatura, a costa de un intercambio de
calor con el entorno (proceso real, irreversible). Pero
podemos modelar este cambio de forma ideal con dos
procesos ideales reversibles:
Reversible
Reversible (ideal):
(ideal):
Irreversible
(real):
Irreversible (real):
1) El sistema intercambia calor
con el entorno sin variar su
T
T'
temperatura (proceso
isotermo)
Q
2) El sistema varía su
temperatura, sin
flujo
flujode
decalor
calorentre
entre
temperaturas
intercambiar calor con el
temperaturasdistintas,
distintas,
hasta
que
se
igualan
las
hasta que se igualan las
exterior (proceso adiabático).
temperaturas
temperaturas
Fátima Masot Conde
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Tipos de transformación
Otro ejemplo: un proceso cuasi estático reversible:
granos de arena de
masa infinitesimal
émbolo móvil
gas
Si se depositan sobre el
émbolo móvil los granos de
uno en uno, la presión del
gas dentro del recipiente
aumenta de forma diferencial
•• Se
Se puede
puede invertir
invertir elel proceso
proceso en
en cualquier
cualquier momento,
momento,
simplemente
quitando
cada
grano
de
uno
en
Características
uno.
Características simplemente quitando cada grano de uno en uno.
•
Es
cuasiestático
(infinitamente
lento
y
pasa
por
Proceso
• Es cuasiestático (infinitamente lento y pasa por sucesivos
sucesivos
Proceso
estados
de
equilibrio)
(velocidad
del
proceso
=
0)
reversible
estados de equilibrio) (velocidad del proceso = 0)
reversible
•• La
La potencia
potencia desarrollada
desarrollada es
es nula!
nula!
•• Irrealizable
Irrealizable
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Tipos de transformación
Cuasi estático
Infinitamente lento y pasa por
sucesivos estados de equilibrio
Reversible
=
Se puede invertir
Imposibilidad de recuperar
el estado original
Irreversible
Algunos procesos irreversibles: cualquiera que introduzca
pérdidas por rozamiento, viscosidad, turbulencias o
histéresis. Compresión rápida de un gas, mezcla de agua fría y
caliente, deformación inelástica de un alambre, flujo
de corriente a través de una resistencia, disoluciones
de sal en agua, etc
Fátima Masot Conde
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Bibliografía
•Tipler & Mosca “Física para la ciencia y tecnología” Ed. Reverté
Serway & Jewett, “Física”, Ed. Thomson (vol. II)
•Halliday, Resnick & Walter, “Física”, Ed. Addison- Wesley.
•Sears, Zemansky, Young & Freedman, “Física Universitaria”, Ed.
Pearson Education (vol. II)
•J. Aguilar, “Curso de Termodinámica” Ed. Alambra
•Çengel & Boles, “Termodinámica”, Ed. Prentice-Hall
Fotografías y Figuras, cortesía de
Tipler & Mosca “Física para la ciencia y tecnología” Ed. Reverté
Sears, Zemansky, Young & Freedman, “Física Universitaria”, Ed.
Pearson Education
Fátima Masot Conde
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