Primera edición Termodinámica Apuntes de clases 2020 Capitulo 1 Conceptos Fundamentales CON TEN IDO › 1.1 Objeto, importancia, alcances y limitaciones de la termodinámica. › 1.2 Definiciones y convenciones fundamentales. › 1.3 Sistema y Medio ambiente, parámetros. › 1.4 Definición macroscópica y microscópica de un sistema, sistemas abiertos y cerrados, homogéneos y heterogéneos, ideales y reales › 1.5 Estado de un sistema, propiedades extensivas e intensivas. › 1.6 Equilibrio termodinámico, potenciales mecánicos, térmicos y químicos. › 1.7 Transformaciones abiertas y cerradas, reversibles e irreversibles . › 1.8 Equilibrio térmico. › 1.9 Principio cero de la termodinámica. › 1.10 Funciones de punto y linea. › 1.11 Sustancias puras, propiedades. Se dice que la termodinámica nace a partir de los conocimientos de Nicolas Léonard Sadi Carnot, físico francés que en el año 1882, presento la maquina térmica de cuatro tiempos con mayor rendimiento. En la antigüedad y hasta la totalidad del siglo XIX, se creía que el calor estaba contenido en los cuerpos como un fluido llamado calórico, el cual se media en calorías y kilo-calorías. Una caloría es la cantidad de calor que absorbe un sistema de masa 1 gr y que pasa de 14,5 a 15,5°C, es decir que eleva la temperatura 1°C. Esta unidad se utiliza mas que nada en los alimentos. Luego en 1850, Joule, con una experiencia casera, demuestra que el calor es una forma de energía, encuentra el equilibrio mecánico del calor y por ultimo demuestra el primer principio de la termodinámica. Se concluyo en que el calor es energía que fluye desde un sistema a otro o de un sistema al medio exterior o viceversa , en función de una diferencia de temperatura entre ellos. Si ∆T = 0 desaparece el calor Q, por lo tanto el calor es una energía en transito, también llamada energía de frontera. transito La termodinámica estudia la transformación de calor en energía mecánica basándose en principios fundamentales: › El primer principio que habla del equilibrio o la equivalencia entre las energías que se van a transformar dando origen a una propiedad extensiva muy importante, ∆U(variación de la energía interna del sistema). › El segundo principio que habla de la direccionalidad que tenemos que tener en cuenta al momento de transformar calor en trabajo o trabajo en calor. Esto da origen a una propiedad extensiva muy importante, ∆S (variación de entropía). › Por ultimo, en el año 1945, los físicos sacan a relucir un concepto nuevo, que venía apareciendo en termodinámica, equilibrio térmico, y como esto tenia que estar antes de los dos principios, se lo llamo principio cero de la termodinámica. Da origen al concepto de temperatura. La termodinámica es una materia que estudia lo ideal para poder llegar a lo real. Ilya Prigogine es el único físico que en 1977 presento una tesis de la termodinámica del equilibrio. › Maquina Térmica: Dispositivo mecánico en el cual se puede transformar calor en trabajo funcionando cíclicamente (cumpliendo un ciclo termodinámico y un ciclo mecánico) con independencia entre ellos. › Termodinámica: ciencia que estudia la transformación de la energía incluyendo al trabajo mecánico y el calor, como así también las propiedades de las sustancias termodinámicas que intervienen en dichas transformaciones. › Importancia de la termodinámica: en el siglo XIX, a partir de los conocimientos de Joule y Thompson, se corrigió el concepto de calor y se demuestra el primer principio de la termodinámica. Luego Kelvin, Plank y Clausius (físico alemán) demuestran el segundo principio de la termodinámica. Desventajas de la termodinámica: • 1. No se puede llegar a definir claramente las propiedades de la sustancia usada en la transformación en forma directa.3 • 2. (MUY IMPORTANTE) No puede precisar la ecuación de estado de un determinado sistema termodinámico que no sea el ideal. Ecuación de estado es aquella ecuación que relaciona las diferentes variables termodinámicas en forma macroscópica, que se puedan medir. Ej: presión, volumen, temperatura. • 3. No dice nada respecto al tiempo que se tarda en realizar las transformaciones, por lo tanto, la velocidad y la aceleración de las moléculas del sistema termodinámico durante la transformación es incierta (La física cuántica se encarga de resolver esta problemática mediante el uso de la estadística). Definición de termodinámica: La termodinámica es la única ciencia que estudia las transformaciones de la energía incluyendo al trabajo mecánico y el calor, como así también las propiedades de las sustancias termodinámicas que intervienen en dichas transformaciones. Criterios de signos termodinámicos: • Positivo (+): Para el trabajo que sale del sistema y el calor que entra al sistema • Negativo (-): Para el trabajo que entra al sistema y el calor que sale del sistema. 3 Capitulo 1 Conceptos Fundamentales ser llamado sustancia pura. Las transformaciones son irreversibles (termodinámica del desequilibrio). › Sistema ideal: creado en nuestra mente. Importante en el estudio de la termodinámica del equilibrio, se logra estudiar transformaciones reversibles. Este sistema tiene el comportamiento de un gas ideal. › Magnitudes macroscópica y microscópicas: En termodinámica no se trabaja con las magnitudes microscópicas ya que solo basta con medir lo que sucede en las transformaciones en forma objetiva y cuantitativa por medio de instrumentos (manómetro, termómetro), deflactores para medir el volumen, etc. Sistema termodinámico: Cantidad determinada de materia, de masa fija con una composición química bien determinada. Por lo general esta separado de la parte exterior por una superficie llamada superficie Queda definido por el conjunto de valores que adquieren aquellas propiedades del sistema que pueden variar. En un cierto estado, todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos, si el valor de una sola propiedad cambia, el estado cambiara a un estado diferente. En termodinámica, el estado es el momento en el cual el sistema termodinámico se mantiene en equilibrio,esto quiere decir que las tres coordenadas termodinámicas son uniformes (presión, volumen, temperatura). Propiedades intensivas: son independientes del tamaño de un sistema (ej: temperatura, presión, densidad). limite. Al medio exterior también se lo llama medio ambiente. La superficie límite es creada en la mente para separar el sistema del medio exterior. Esta es IDEAL cuando se la imagina para resolver un determinado ciclo termodinámico. Y es REAL cuando esta materializada por algún material adiabático o diatérmico. También se dice que la superficie limite es FIJA cuando el sistema termodinámico esta encerrado dentro de un tubo donde no se puede deformar (ej: garrafa, termo, etc.). O es una superficie limite elástica cuando esta se puede deformar. Cuando se habla de una superficie limite ADIABÁTICO cuando no se puede transmitir el calor (esta materializado por un material totalmente aislante del calor) por ejemplo: lana de vidrio, telgopor, madera, etc. Y se habla de una superficie limite DIATÉRMICO cuando el calor puede transitar libremente, por ejemplo: chapa de cobre. Propiedades de un sistema: son aquellas variables propias de un sistema en un determinado estado. Por ejemplo: presión, temperatura, volumen, masa, otros menos familiares como la viscosidad, conductividad térmica, modulo de elasticidad, coeficiente de expansión térmica, etc. › Sistema Cerrado: consiste en una cantidad fija de masa, y nada de ella puede cruzar su frontera, también se denomina sistema aislado. › Sistema Abierto: o a volumen de control. La maquina térmica puede renovar el sistema conservando una determinada masa (controlando cada vez que termina un ciclo termodinámico) ej: Compresor. › Sistema Homogéneo: en todo momento las partículas tienden a ser iguales, conformando una sola fase. Sus propiedades tienen linealidad. › Sistema Heterogéneo: Un sistema presenta diferentes fases. Ej: Agua + aceite. › Sistema Real: forma parte de la vida cotidiana (gas real). También puede ser un fluido real, lo importante de este sistema es que si puede Propiedades extensivas: dependen de la extensión del sistema (ej: masa,volumen, energía total). También existen las llamadas PROPIEDADES ESPECIFICAS, que son propiedades extensivas por unidad de masa, por lo tanto se convierten en propiedades intensivas. Por ejemplo: volumen especifico (v/m), energía total especifica (e=E/m). Se dice que existe equilibrio termodinámico cuando existe equilibrio en todas las propiedades intensivas del sistema. En este curso unidamente vamos a contemplar tres tipos de equilibrio para recién hablar de equilibrio termodinámico. 1. Equilibrio Térmico: No debe existir un gradiente de temperatura. No tiene que aumentar ni disminuirla temperatura significativamente desde un estado a otro, por lo tanto, se dice que la temperatura se encuentra uniforme. Cuando un cuerpo entra en contacto con otro que tiene menor temperatura, el primero le transfiere calor hasta que ambos tengan la misma temperatura. 2. Equilibrio Mecánico: No tiene que existir un cambio significativo de la presión durante una transformación (de un estado a otro). La presión no cambia en cada punto del proceso. 3. Equilibrio Químico: El sistema termodinámico no tiene que sufrir ninguna reacción durante la transformación, es decir, en el proceso, los componentes químicos de la sustancia termodinámica no cambiaran en cada estado del proceso. Estado: en termodinámica, el estado es el momento en el cual el sistema termodinámico se mantiene en equilibrio, esto quiere decir que las tres coordenadas termodinámicas son uniformes (presión, temperatura y volumen). 4 Capitulo 1 Conceptos Fundamentales Proceso o Transformación Abierta: es la trayectoria de todos los puntos que se inician en el estado inicial y terminan en el estado final. Principio cero de la Termodinámica Observando la gráfica de la figura, el principio cero nos dice “si se tiene dos sistemas A y B separados por medio de un material adiabático, pero a su vez estos dos sistemas están separados por un material diatérmico con un sistema llamado C: A y B habrán alcanzado el equilibrio térmico entre ellos”, esto quiere decir que A y B tienen la misma temperatura. Ciclo Termodinámico: es la suma de dos o más transformaciones de tal manera que el estado inicial se confunda con el estado final. Temperatura La temperatura desde el punto de vista químico, es el mayor o menos grado de agitación de moléculas. Desde el punto de vista de la termodinámica es un número (un escalar) que me da el valor del equilibrio térmico entre dos sistemas o entre un sistema y el medio exterior o viceversa. Escala de Fahrenheit En el año 1700 el alemán Fahrenheit patento su escala que llevo su nombre utilizando un termómetro de volvió para lo cual fijó la escala en dos puntos utilizando una sustancia termodinámica (agua salada) y a ese punto le llamo 0° F, que coincide con el punto de congelamiento de agua salada. A su vez toma la temperatura corporal del ser humano llamado 96°F. Luego 30 años más tarde aparece el danés Celsius que patento su escala centígrada, eso quiere decir que varía de 0 a 100 grados, toma como sistema termodinámico el agua pura, utilizando un termómetro de bulbo. Basándonos en el sistema del cilindro-pistón, si sacásemos repentinamente los pesos, el pistón subiera velozmente hasta los topes, esta transformación es incierta e IRREVERSIBLE, cae dentro de las limitaciones de la termodinámica. Por el contrario, la termodinámica estudiará las transformaciones que se encuentran dentro del equilibrio termodinámico, basándonos en transformaciones reversibles (ideales) esto va a dar continuidad a los estudios de trabajos cuasiestáticos, que puede ser de expansión o compresión. Ley cero de la Termodinámica El principio cero nace de una necesidad de los físicos de introducir antes los pilares fundamentales de la termodinámica, el concepto de equilibrio térmico que da origen al llamado principio cero de la termodinámica (basándose en las propiedades de los materiales aislantes y conductores del calor: adiabático y diatérmico). A partir de esta ley se deduce el concepto de temperatura. A finales del siglo XVII Kelvin patenta la escala absoluta de temperatura basándose en dos puntos fijos, uno inferior y otro superior, utilizando un sistema termodinámico como el agua pura. Punto superior: punto triple de la sustancia termodinámica, “es aquella temperatura en la cual coexisten los tres estados o fases de la materia (sólido, líquido y gaseoso), llamándolo a esa temperatura 273,16°K. Punto inferior: a este punto se le llama el cero absoluto, “es aquella temperatura en la cual no existe movimiento molecular no de átomos de la materia (es un punto ideal) que se encuentra por la intersección lineal entre los gráficos de volumen-temperatura, cuando la presión es constante y también entre los gráficos presión-temperatura cuando el volumen es constante. Todavía no se ha llegado a determinar con exactitud por ningún medio experimental el cero absoluto. 5 Capitulo 1 Conceptos Fundamentales
