Clase 1

Estrictamente hablando se entiende por
TERMODINÁMICA la parte de la física que
estudia los procesos en los cuales los
sistemas intercambian energía o materia
cuando están en “equilibrio”.
El intercambio se realiza mediante
procesos “cuasiestáticos”, es decir,
procesos “infinitamente lentos”
¾Termodinámica en equilibrio
•Termodinámica clásica
•Termodinámica estadística
¾Termodinámica fuera del equilibrio
•Termodinámica cercana al equilibrio
•Termodinámica muy lejos del equilibrio
Sistema y Medio ambiente
•
Se puede definir un sistema como un conjunto de materia que está
limitado por una superficie real o imaginaria. Si en el sistema no
entra ni sale materia se dice que se trata de un sistema cerrado o
sistema aislado, dependiendo del caso. Los tipos de sistemas
cerrados que son necesarios para el estudio de la termodinámica
son:
– Sistema aislado térmicamente: es un sistema cerrado en el
que no entra ni sale calor.
– Sistema aislado mecánicamente: es un sistema cerrado
sobre el cual no se realiza trabajo.
•
Se llama medio ambiente a todo aquello que no está en el sistema
pero que puede influir en él. Por ejemplo, consideremos una taza
con agua, que está siendo calentada por un mechero.
Consideremos un sistema formado por la taza y el agua, entonces
el medio ambiente está formado por el mechero, el aire, etc.
• Equilibrio térmico: un equilibrio térmico es cuando dos
sustancias alcanzan una misma temperatura u no existe
transferencia de calor entre ellas.
• Variables termodinámicas: Las variables que tienen
relación con el estado interno de un sistema, se llaman
variables termodinámicas o coordenadas
termodinámicas, y entre ellas las más importantes en
el estudio de la termodinámica son:
–
–
–
–
–
la masa
el volumen
la densidad
la presión
la temperatura
• Estado de un sistema. Un sistema que puede
describirse en función de coordenadas termodinámicas
se llama sistema termodinámico y la situación en la que
se encuentra definido por dichas coordenadas se llama
estado del sistema.
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Foco térmico: Un foco térmico es un sistema que puede entregar
y/o recibir calor, pero sin cambiar su temperatura.
Contacto térmico: Se dice que dos sistema están en contacto
térmico cuando puede haber transferencia de calor de un sistema a
otro.
Equilibrio térmico: Un estado en el cual dos coordenadas
termodinámicas independientes X e Y permanecen constantes
mientras no se modifican las condiciones externas se dice que se
encuentra en equilibrio térmico. Si dos sistemas se encuentran en
equilibrio térmico se dice que tienen la misma temperatura.
Entonces se puede definir la temperatura como una propiedad que
permite determinar si un sistema se encuentra o no en equilibrio
térmico con otro sistema.
El equilibrio térmico se presenta cuando dos cuerpos con
temperaturas diferentes se ponen en contacto, y el que tiene mayor
temperatura cede calor al que tiene mas baja, hasta que ambos
alcanzan la misma temperatura..
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A cualquier transformación en un sistema, desde un estado de
equilibrio a otro, se le conoce como proceso. Dicho en otras
palabras, es el cambio de estado de una sustancia o un sistema,
desde unas condiciones iniciales (estado inicial) hasta unas
condiciones finales (estado final) por una trayectoria definida. Por lo
tanto, para describir completamente un proceso se requiere de los
estados de equilibrio inicial y final, así como de la trayectoria o las
interacciones del sistema con su entorno durante el proceso.
En general los procesos dependiendo de sus características,
trayectoria, o del comportamiento de las propiedades de la
sustancia involucrada se pueden clasificar en procesos
desarrollados con una propiedad constante y en procesos con
características especiales.
Existen 3 tipos de procesos termodinámicos, estos son:
Los Procesos Iso
Los Procesos Adiabáticos. Es un proceso termodinámico en la cual
no hay transferencia de calor hacia y desde los alrededores
Los Procesos Poli trópicos - Son aquellos procesos termodinámicos
en donde ninguna de sus propiedades permanece constante
• Procesos Iso:
• Los procesos “Iso” son aquellos que mantienen
una propiedad constante y por consiguiente
llevan el prefijo iso -.
• Ejemplo:
• Isotérmico : Proceso a temperatura Constante
• Isobárico : Proceso a Presión Constante
• Isométrico o Isocórico : Proceso a Volumen
Constante
• Isentalpico : Proceso a Entalpía Constante
• Isentrópico : Proceso a entropía Constante
• La temperatura es la propiedad física
de los sistemas que precisa y
cuantifica nuestras nociones de
caliente y frío.
• Los materiales más calientes tienen
mayor temperatura
• La temperatura es una medida de la
energía cinética media de los
constituyentes de una muestra de
materia
Si los sistemas A y B están en equilibrio
termodinámico, y los sistemas B y C están en
equilibrio termodinámico, entonces los sistemas
A y C están también en equilibrio termodinámico
Equilibrio térmico y temperatura.
Ley cero
• Cuando dos sistemas no aislados se ponen en
contacto térmico el estado evoluciona hacia un
equilibrio térmico
• Dos cuerpos que están en equilibrio térmico no
modifican su temperatura al ponerlos en
contacto Æ están a la misma temperatura.
• Ley cero: cuando dos cuerpos están en
equilibrio térmico con un tercero también lo
están entre síÆ se puede definir una escala de
temperaturas.
El termómetro es un instrumento que fue fabricado para poder medir la
temperatura. Desde su invención han evolucionado mucho principalmente
desde que se empezaron a fabricar los termómetros electrónicos digitales.
Los termómetros son dispositivos para definir y medir la temperatura de un
sistema. Todos los termómetros se basan en el cambio de alguna
propiedad física con la temperatura, como el cambio de volumen de un
líquido, el cambio en la longitud de un sólido, el cambio en la presión de un
gas a volumen constante, el cambio en el volumen de un gas a presión
constante.
Los cambios de temperatura se miden a partir de los cambios en las otras
propiedades de una sustancia.
El mineral base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el
mercurio encerrado en un tubo de cristal que incorporaba una escala
graduada.
En el mes de julio de 2007 el Gobierno de España ha decretado la prohibición
de fabricar termómetros de mercurio por su efecto contaminante.
El creador de el primer termoscopio fue Galileo Galilei; éste podría
considerarse el predecesor del termómetro. Consistía en un tubo de vidrio
que terminaba con una esfera en su parte superior que se sumergía dentro
de un líquido mezcla de alcohol y agua. Al calentar el agua , ésta
comenzaba a subir por el tubo.
Escalas de temperatura.
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La escala más usada en la mayoría de los países es la escala
centígrada (ºC), también llamada Celsius desde 1948, en honor a
Anders Celsius (1701 - 1744). En esta escala el Cero grados
centígrado (0ºC), corresponde con el punto de congelación del agua
y los cien grados corresponden con el punto de ebullición del agua,
ambos a la presión de 1 atmósfera.
Otras escalas termométricas son:
Fahrenheit (ºF), propuesta por Gabriel Fahrenheit en 1724, que es
la unidad de temperatura en el Sistema Imperial británico de
unidades, actualmente utilizado principalmente en Estados Unidos.
Reamur (ºR), en desuso. Se debe a René-Antoine Ferchault de
Reamur (1683-1757).La relación con la escala centígrada es:
TReamur=(4/5)*TCelsius.
Kelvin (K) o temperatura absoluta, unidad de temperatura del
Sistema Internacional de Unidades.
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El kelvin es la unidad de temperatura de la escala creada por
William Thomson, sobre la base del grado Celsius, estableciendo el
punto cero en el cero absoluto (−273,15 °C) y conservando la
misma dimensión para los grados. William Thomson, quién más
tarde sería Lord Kelvin, a sus 24 años introdujo la escala de
temperatura termodinámica, y la unidad fue nombrada en su honor.
Se toma como la unidad de temperatura en el Sistema Internacional
de Unidades y se corresponde a una fracción de 1/273,16 partes de
la temperatura del punto triple del agua. Se representa con la letra
"K", y nunca "ºK". Además, su nombre no es el de "grado kelvin"
sino simplemente "kelvin"; no se dice "19 grados Kelvin" sino "19
kelvin" o "19 K".
Coincidiendo el incremento en un grado Celsius con el de un Kelvin,
su importancia radica en el 0 de la escala: a la temperatura de 0 K
se la denomina cero absoluto y corresponde al punto en el que las
moléculas y átomos de un sistema tienen la mínima energía térmica
posible. Ningún sistema macroscópico puede tener una temperatura
inferior. A la temperatura medida en Kelvin se le llama "temperatura
absoluta", y es la escala de temperaturas que se usa en ciencia,
especialmente en trabajos de física o química.
Fórmulas de conversión de escalas de temperatura
Conversión de
a
Fórmula
kelvin
grados Celsius
°C = K − 273,15
grados Celsius
kelvin
K = °C + 273,15
kelvin
grados Fahrenheit °F = K × 1,8 − 459,67
grados Fahrenheit grados Celsius
°C = (°F − 32) / 1,8
grados Fahrenheit kelvin
K = (°F + 459,67) / 1,8
grados Celsius
grados Fahrenheit F° =( C° × 1,8 ) + 32
• Fórmulas de conversión de temperatura
– Para convertir una escala en Celsius están las
siguientes fórmulas:
– C = K - 273
– C = (F - 32)5/9
– Para convertir en Kelvin las siguientes fórmulas :
– K = C + 273
– K = (F + 459.67) 5/9
– Para convertir en Farenheit las siguientes fórmulas:
– F = (K * 9/5) - 459.67
– F = (C * 9/5) + 32
Escalas de temperatura
• Termómetro: material que posea una propiedad
termométrica:
– Cambie con la temperatura.
– Se puede medir fácilmente.
• Escala Celsius
– 0º CÆpunto congelación agua a 1 atm.
– 100º CÆpunto ebullición agua a 1 atm.
• Escala Farenheit
– 32º FÆpunto congelación agua a 1 atm.
5
t
=
(t F − 32)
– 212º FÆpunto ebullición agua a 1 atm. c
9
Ejemplo: termómetro de mercurio
• Propiedad termométrica: altura de una
columna de mercurio.
Se calibra introduciéndolo en un baño
de agua y hielo (L100) y en agua en
ebullición (L0)
Temperatura medida cuando se
llega a una altura L Æ t = L − L0 ×100
c
L100 − L0
L100
L
L0
Puede haber diferencias de calibración a altas y
bajas temperaturas
1.5. Termómetros de gas y
temperatura absoluta
• Gas de baja densidad a volumen constanteÆ La
presión es una propiedad termomética.
P
P − P0
tc =
×100
P100 − P0
-273.15º C
0º K
• Escala de temperaturas absoluta o de Kelvin
T = tc + 273.15
T