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TERMODINÁMICA
Campo de estudio de la
termodinámica
 Estudia
los cambios de las variables
macroscópicas de las sustancias, tales como
la presión, volumen y la temperatura, entre
otras, relacionadas con la energía que
caracterizan
a
un
sistema,
como
consecuencia del intercambio de calor y
trabajo con sus alrededores.
Conceptos fundamentales
Sistema Internacional de Unidades
 Dimensión: es una cantidad física que define a un
sistema de unidades.
 Unidad fundamental: a cada dimensión fundamental
se le asigna una unidad llamada fundamental.
 Unidades derivadas: surgen de la combinación de
unidades fundamentales, suplementarias y otras
derivadas, según la ecuación algebraica que las
relaciona.
Sistema Internacional de Unidades
Dimensión
Unidad Fundamental
Nombre
Símbolo
Nombre
Símbolo
Longitud
L
metro
m
Masa
M
kilogramo
kg
Tiempo
T
segundo
s
Temperatura
Θ
kelvin
K
Corriente
eléctrica
I
ampere
A
candela
cd
mol
mol
Intensidad
luminosa
Cantidad de
sustancia
n, N
Propiedades termodinámicas
 Masa: Es una propiedad fundamental de tipo escalar y
representa a la cantidad de materia, independiente de
su ubicación geográfica; puede medirse con una
balanza en un campo gravitatorio. Se emplea para
determinar si una propiedad de la sustancia es
intensiva o extensiva.
Propiedad: característica inherente a la materia, que
puede medirse.
 Propiedad intensiva: su valor es independiente de la
cantidad de sustancia.
 Propiedad extensiva: su valor depende de la cantidad
de sustancia.
Ejemplos de propiedades
 Propiedades extensivas:
Volumen, peso, energía cinética, energía
potencial gravitatoria.
 Propiedades intensivas:
Densidad, densidad relativa, peso específico,
volumen específico, presión.
Sistemas termodinámicos
 Sistema: es una porción con masa del universo, la que
se separa para su análisis.
 Sistema cerrado: es el que tiene una cantidad fija e
invariable de masa y solo la energía cruza su frontera.
 Sistema aislado: un caso particular del sistema cerrado
es el sistema aislado, en el cual, no hay transferencia de
masa ni de energía a través de su frontera.
 Sistema abierto: permite el paso de energía y de masa a
través de su frontera.
Tipos de fronteras
 Puede clasificarse en reales o imaginarias.
Clasificación de fronteras
Pasaje de masa
Permeable
Impermeable
Frontera
Interacción
térmica
Diatérmica
Interacción
mecánica
Flexible
Adiabática
Rígido
Ley cero de la termodinámica
 Cuando dos sustancias A y B están en condiciones
térmicas distintas y alcanzan simultánea y
separadamente el equilibrio térmico con un tercer
sistema, originalmente en condición térmica distinta
de los demás, entonces es un hecho experimental que
las sustancias A y B tienen que estar en equilibrio
térmico entre sí. En otras palabras, hay una propiedad
que indiscutiblemente tiene el mismo valor en cada
sustancia que esté en equilibrio térmico; esta
propiedad se llama temperatura.
Concepto de temperatura
 En palabras sencillas el mensaje de la ley cero de la
termodinámica es: “todo cuerpo tiene una propiedad
llamada temperatura. Cuando dos cuerpos están en
equilibrio térmico su temperatura es la misma”.
 Es una propiedad fundamental y puede entenderse
como aquella propiedad que permanece invariable
cuando dos sustancias están en equilibrio térmico.
Escalas de temperatura
 Celsius: utilizó los puntos normales de congelación y
ebullición del agua.
Escalas de temperatura
 Escala absoluta o de Kelvin.
 Se demostró que un gas ideal a presión constante tiene
un V=f(T). Se pensó que la temperatura más pequeña
era aquella con volumen igual a cero, ya que no hay
volúmenes negativos. Se asoció O (K) =-273,15 (°C).
Concepto de calor
 Calor: Es energía en tránsito. Se manifiesta cuando dos
o más sistemas con temperaturas distintas se ponen en
contacto mediante fronteras diatérmicas.
 Sensible: se manifiesta cuando la temperatura cambia.
No hay cambio de fase.
 Latente: se manifiesta cuando no cambia la
temperatura. Hay cambio de fase.
Ecuaciones del calor
c= constante de proporcionalidad, llamada
capacidad térmica específica.
Ejercicio 1: determine las unidades de c en el SI.
Ejercicio 2: determine las unidades de λ en el SI.
Curva de calentamiento del agua
Signo de calor
Modelo matemático que representa la relación
entre los valores experimentales calor y
temperatura
Concepto de energía
 Es una cantidad física de tipo escalar
que latente o manifiesta es capaz de
producir cambios en la materia o en sus
alrededores.
 Pregunta: ¿La energía es propiedad?
Energías en transición: calor y
trabajo
Clasificación de energía
En tránsito
Energía
Calor (Q)
Trabajo(W)
Mecánica
s
Como propiedad
del sistema
Cinética(EC)
Potencial gravitatoria (EP)
Interna(U)
Nuclear
Potencial eléctrica
Eólica
Química
Etc.
Definición de trabajo
La fuerza es un agente capaz de cambiar o modificar la cantidad de
movimiento de un cuerpo con respecto al tiempo.
Signo del trabajo
Compresión
Expansión
Trabajo casiestático
 Es aquél en el que la interacción que produce el
cambio difiere en menos de un infinitésimo del valor
de la propiedad sobre la influye.
 Es el proceso en el que el cambio se efectúa muy
lentamente, de tal forma, que el sistema está siempre
en equilibrio termodinámico. Sin embargo, el estado
final es diferente del inicial.
Experimento de James Prescott Joule
 Un recipiente adiabático contiene una cierta cantidad de
agua, con un termómetro para medir su temperatura, un
eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la
acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.
Experimento de Joule
 La versión original del experimento, consta de dos pesas
iguales que cuelgan simétricamente del eje.
 La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente
constante, pierde energía potencial, entonces el agua
agitada por las paletas se calienta debido a la fricción.
 Si el bloque de masa (m) desciende una altura (a), la
energía potencial disminuye en mga, y ésta es la energía
que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras
pérdidas).
Experimento de Joule
 Joule encontró que la disminución de energía potencial es
proporcional al incremento de temperatura del agua. La
constante de proporcionalidad (la capacidad térmica
específica del agua) es igual a 4,186 (J/(g Δ°C)). Por tanto,
4,186 (J) de energía mecánica aumentan la temperatura de
1(g) de agua en 1(°C).
 Se define la caloría como la cantidad de energía calorífica
necesaria para elevar 1(°C), la temperatura de 1(g) de agua
pura, desde 14,5 (°C) a 15,5 (°C), a una presión normal de
101,325 (kPa).
Conceptos
 Estado: es el conjunto de valores de las propiedades
intensivas de un sistema en un momento dado.
 Estado de equilibrio: es aquel cuyas propiedades
intensivas tienen valores independientes del tiempo.
 Proceso: es el pasaje del sistema desde un estado de
equilibrio inicial a otro estado de equilibrio final.
 Cualidad
matemática de una propiedad: la
característica matemática de una propiedad de la
sustancia como función, es que da una diferencial
exacta.
Proceso Cíclico
En el proceso cíclico ∆P =O y ∆v =O
Postulado de estado
 La experiencia señala que en el caso de fluidos simples,
el estado termodinámico se define cuando se fija el
valor de cualesquiera de dos propiedades
independientes e intensivas.
 Un proceso casiestático se representa con una línea
continua. En puntos consecutivos de esta línea el valor
de la propiedad prácticamente no cambia.
Diagrama (v,P)
 Gracias al postulado de estado es posible trazar
diagramas termodinámicos.
Primera ley de la termodinámica
 Basado en pruebas experimentales, la primera ley de la
termodinámica, establece lo siguiente:
{Q} + {W} = ∆EC + ∆EP + ∆U
Primera ley de la termodinámica
 Se observó que el cambio en la energía del sistema
cerrado (dEs) es igual a la suma de las energías en
tránsito.
Diferencial
exacta
Dos diferenciales
inexactas
 Para un sistema cerrado que experimenta un proceso
cíclico, el principio de conservación de la energía se
reduce a
Experimento 1
 Experimento 1: en un sistema adiabático, deje que la
canica se mueva sin fricción.
La energía del sistema y la energía mecánica se conservan.
Experimento 2
 Experimento 2: deje que la canica se mueva con
fricción.
 Se disipa la energía mecánica y como la energía se
conserva, se piensa en otro tipo de energía (que puede
convertirse una en la otra).
Experimento 2
 Se disipa la energía mecánica, sin embargo, la energía
se conserva, por otro lado, en virtud de la fricción, la
temperatura aumenta, en consecuencia se propone un
tipo de energía que depende primordialmente de la
temperatura, llamada energía interna (U).
Es=energía mecánica+ energía interna
Leyes de los gases
Ley de Boyle y de Mariotte
Leyes de los gases
 Ley de Charles
Leyes de los gases
 Ley de Charles: existe un segundo enunciado de esta
ley. Cuando el volumen de un gas permanece constante
la presión de éste varía proporcionalmente con su
temperatura.
Leyes de los gases
Ley de Gay-Lussac: esta ley
coincide con el segundo
enunciado de la ley de
Charles.
Ecuación del gas ideal
De 1 a 2
En un gas ideal se cumple que:
Dividiendo entre la masa:
De 2 a 3
De 1 a 3
Ecuación del gas ideal
 C´ es igual a la constante particular del gas.
Generalizando:
 Ejercicio: determine las unidades de R, en el Sistema
Internacional de Unidades.
Procesos casiestáticos
 Proceso isobárico
Pvn=c
n es el índice politrópico
n=0
Pv0=c
P=c
Procesos casiestáticos
 Proceso isométrico o isócoro
Se lleva a cabo dentro de fronteras rígidas, inmóviles e
impermeables.
Pvn=c
n→∞
v=c
Procesos casiestáticos
 Proceso isotérmico
Pvn=c
n=1
Pv=c
Procesos casiestáticos
 Proceso adiabático
No hay interacciones térmicas, se realiza usualmente
dentro de fronteras adiabáticas.
Pvn=c
n=k
k es el índice adiabático
Pvk=c
Procesos casiestáticos
 Proceso politrópico
Hay interacciones térmicas; varían las propiedades de P,
v y T.
Pvn=c
Primera ley de la termodinámica para
sistemas abiertos
 Entalpia (H)
Es una propiedad termodinámica útil para realizar
balances de energía.
H=PV+U
o bien; dividiendo entre la masa, se obtiene la entalpia
específica.
h=Pv+u
Primera ley de la termodinámica para
sistemas abiertos
me=masa que entra
ms=masa que sale
(dm)sistema=dme-dms
Primera ley de la termodinámica para
sistemas abiertos
 Si el sistema opera bajo régimen estable, flujo
permanente o flujo estacionario entonces no hay
acumulación.
 Por lo tanto, lo que entra es igual a lo que sale y se
trabaja con régimen permanente.
Ecuación de continuidad:
Primera ley de la termodinámica para sistemas abiertos
en condiciones de estado estacionario y de flujo
permanente
 En la expresión matemática siguiente, está contenido
el trabajo de flujo, ya que h= u + Pv .
{∂W}flujo=P dV
Dividiendo entre el tiempo:
Práctica de laboratorio: balance de energía
en sistemas termodinámicos abiertos
 Calorímetro de flujo continuo
0
0
Práctica de laboratorio: balance de energía en
sistemas termodinámicos abiertos
teórico
Calcule el porcentaje de exactitud del gasto másico experimental.
Segunda ley de la termodinámica
 Máquina térmica: es un dispositivo que transforma
calor en energía mecánica o trabajo.
|QA |= |W |+ | QB |
|W | = |QA |-| QB |
Máquina térmica operando a la
inversa
 Refrigerador
|W |+ | QB |= |QA|
β = COP= Coeficiente de operación o rendimiento
Enunciado de Kelvin-Planck
 No es posible que un dispositivo que funcione
cíclicamente reciba energía mediante transferencia de
calor desde una fuente térmica y entregue
exclusivamente energía en forma de trabajo al entorno.
Enunciado Clausius
 Es imposible que un dispositivo cíclico funcione de tal
manera que el único efecto sea transferir calor desde
un depósito de temperatura baja a un depósito de
temperatura alta.
Proceso reversible
 Es un proceso casiestático, en este curso se toma en
cuenta principalmente como causa de irreversibilidad
a la fricción, sin embargo, también existe la
transmisión de calor con una diferencia de
temperaturas finita, la expansión irresistida,
deformación inelástica, la resistencia eléctrica, las
reacciones químicas, etc.
Teorema de Carnot
 Es imposible construir un máquina que opere entre
dos depósitos térmicos y que sea más eficiente que una
máquina de Carnot que opere entre los mismos
depósitos térmicos.
Desigualdad de Clausius
 En un ciclo reversible como el de Carnot, se evalúa la
integral cíclica siguiente:
Desigualdad de Clausius
 En un ciclo real o irreversible se tiene lo siguiente:
Entropía
 El cociente de
es una propiedad llama entropía
(dS). Por lo tanto, puede escribirse para un proceso
reversible:
o bien,
 Para un proceso irreversible :
o bien,
Principio de incremento de entropía
 Sea un sistema aislado (dentro de un recipiente con
paredes adiabáticas), como el siguiente:
 De acuerdo a la primera ley de la termodinámica la
energía interna es constante, para un sistema aislado.
Principio de incremento de entropía
 La segunda ley de la termodinámica establece que:
 Igual a cero para un proceso reversible y mayor que
cero para un proceso irreversible, por lo tanto, S2 > S1.