Download C - inaoe
Document related concepts
Transcript
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” Termodinámica en equilibrio •Termodinámica clásica •Termodinámica estadística Termodinámica fuera del equilibrio •Termodinámica cercana al equilibrio •Termodinámica muy lejos del equilibrio Termodinámica clásica en equilibrio • 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 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 La energía interna de un sistema es la energía cinética total debida al movimiento de sus moléculas (de sus constituyentes) y la energía potencial asociada con la vibración y energía electromagnética de los átomos que constituyen las moléculas o los cristales. En termodinámica, la energía interna de un sistema se expresa en términos de pares de variables conjugadas, tales como la presión y el volumen, la temperatura y la entropía, el campo magnético y la magnetización. Es la energía intercambiada entre dos sistemas cuando no se encuentran en equilibrio. El calor es el flujo de energía. Los cuerpos no tienen “calor”, en realidad tienen energía interna. •Un proceso es adiabático cuando el sistema ni gana ni pierde calor. •Es un proceso en el cual el sistema no intercambia calor. •Es un proceso en el cual no cambia la energía interna. Expansión adiabática de un gas en un cilindro con una presión alta Una variable de estado es una cantidad física que puede ser medida con toda precisión y que caracteriza el estado del sistema, independientemente de cómo el sistema llegó a él. Desde luego que dichas variables de estado deben ser univaluadas y deben ser diferenciales exactas La temperatura, la presión y el volumen son variables de estado. Otros ejemplos de variables de estado: La energía interna La entropía La energía libre de Helmholtz La energía libre de Gibbs Una ecuación de estado es una relación, entre dos o más cantidades físicas, que describe el estado de la materia bajo un conjunto de condiciones físicas Proporciona una relación matemática entre dos o más variables de estado asociadas con la materia La ecuación de estado define a un sistema termodinámico f P,V ,T 0 PV NkT N es el número total de partículas en el gas k 1.380650 10 16 erg K -1 Campo escalar: z f x, y z f x, y f x, y f x, y dz dx dy x y dz M x, y dx N x, y dy es una diferencial exacta si y sólo si b I dz a es independiente de la trayectoria. I dependerá solo del punto inicial y del punto final. Condición necesaria y suficiente para que una diferencial dz M x, y dx N x, y dy sea exacta: M x, y y x N x, y x y z f x, y f x, y f x, y dz dx dy x y 2 f x, y 2 f x , y yx xy En general dz M x, y dx N x, y dy no es una diferencial exacta. Ejemplo: dz y dx x dy 2 2 Prueben varias trayectorias entre los puntos 0,0 y (1,1), y verán que el resultado depende de la trayectoria que elijan. Lo harémos el miércoles en el curso de cálculo vectorial dX F V ,T dV G V ,T dT Si dX es una diferencial exacta, la variación de X cuando el sistema pasa de un estado a otro no depende del proceso seguido entre ellos. La variación de X solo depende de los estados inicial y final. Decimos que X es una "propiedad" del sistema Las variables de estado deben ser diferenciales exactas d W F dx F d W Adx A d W PdV W Vi V f Vf PdV Vi W depende de la trayectoria seguida entre Vi y V f W no es una variable de estado W no es una variable termodinámica Vf W PdV Vi PV NkT N es el número total de partículas en el gas k 1.380650 1016 erg K -1 Vf W Vi Vf Vf NkT dV dV NkT NkT ln V V Vi Vi Vf Vf W PdV W NkT ln Vi Vi Si tenemos 2 moles de un gas mantenido a la temperatura constante de 0 C y se comprime desde un volumen de 4 litros hasta 1 litro: Vf W nRT ln Vi ergios 1 7 2 moles 8.31 10 273 grados ln mol×grado 4 6.3 1010 ergios 6300 joules d W X i dxi i xi , X i pares de variables conjugadas que pueden almacenar energía Ejemplos: Trabajo magnético: H , M HdM Trabajo eléctrico: Trabajo químico: E, P EdP ,n dn El trabajo ejecutado o absorbido por un sistema no es una diferencial exacta X 4 A B 3 x El trabajo ejecutado o absorbido por un sistema no es una diferencial exacta Wverde Xdx X 1 x2 x1 verde Wrojo X1 X 2 x2 x1 Xdx X 2 rojo Wazul azul Xdx X 2 x2 x1 1 x2 x1 El trabajo ejecutado o absorbido por un sistema no es una diferencial exacta d W Xdx X 0 x X El incremento en la energía de un sistema es igual a la cantidad de energía añadida calentándolo, menos la cantidad de energía perdida por el trabajo hecho por el sistema en sus alrededores U Q W El cambio en la energía interna de un sistema es igual al calor añadido al sistema menos el trabajo realizado por el sistema U Q W dU d Q PdV dN X i dxi i es el potencial químico N es el número de partículas xi , X i pares de variables conjugadas que pueden almacenar energía. Ejemplos: H , M HdM E , P EdP Transformación El cambio de entropía de un sistema termodinámico, durante un proceso reversible en el cual una cantidad de calor d Q es introducida a una temperatura absoluta constante T es d Q dS T Por su definición, la entropía está determinada hasta una constante •Es una medida de la cantidad de energía que no está disponible para efectuar trabajo •Es una medida del desorden del sistema •Es una medida de la multiplicidad del sistema Es imposible encontrar un proceso que, operando en un ciclo, no produce ningún otro efecto que la sustracción de una cantidad positiva de calor de un reservorio y la producción de una cantidad igual de trabajo (Formulación de Kelvin y Planck) •El calor “no fluira” de manera espontanea de un objeto frío a uno caliente •Cualquier sistema libre de toda influencia externa se vuelve más desordenado con el tiempo. El desorden se puede expresar en términos de la cantidad llamada entropía •No se puede crear una maquina calorífica que extraiga calor y que lo convierta en su totalidad en trabajo útil En un sistema cerrado la entropía no decrece, es decir, dS 0