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Termodinámica
La termodinámica es la rama de la
física que estudia la energía, la
transformación entre sus distintas
manifestaciones, como el calor, y
su capacidad para producir un
trabajo.
Un sistema puede ser cualquier objeto, masa, región del espacio, etc.,
seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo demás, que
pasa a ser el entorno del sistema. El sistema y su entorno forman el universo. La
distinción entre sistema y entorno es arbitraria: el sistema es lo que el
observador ha escogido para estudiar.
La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa del entorno se llama
frontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales que
sirven para: a) aislar el sistema de su entorno o para
b) permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente.
Un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar materia ni energía
con su entorno.
Un sistema cerrado es aquel que sólo puede intercambiar energía con su
entorno, pero no
materia.
Un sistema abierto es aquel que puede intercambiar materia y energía con
su entorno.
Sistema termodinámico
Un sistema termodinámico es un sistema macroscópico cuyas características
microscópicas (la posición y la velocidad de las partículas en cada instante) es
inaccesible y donde sólo son accesibles sus características estadísticas.
El estado de un sistema representa la totalidad de las propiedades
macroscópicas asociadas con él.
Cualquier sistema que muestre un conjunto de variables identificables tiene un
estado termodinámico, ya sea que esté o no en equilibrio.
La termodinámica se ocupa de la energía y sus transformaciones en los
sistemas desde un punto de vista macroscópico
Un sistema puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad de materia,
cualquier región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y
aislarlo (mentalmente) de todo lo demás, lo cual se convierte entonces
en el entorno del sistema.
sistema + entorno = universo.
La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de sus
inmediaciones (entorno) se llama frontera del sistema y puede
pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para:
a) aislar el sistema de su entorno o para
b) permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su
ambiente.
Llamamos sistema, o medio interior, la
porción del espacio limitado por una
superficie real o ficticia, donde se sitúa la
materia estudiada.
El resto del universo es el medio exterior.
Si la frontera permite la interacción entre el sistema y su entorno, tal
interacción se realiza a través de los canales existentes en la frontera.
Los canales pueden ser inespecíficos para interacciones fundamentales tales
como el calor o la interacción mecánica o eléctrica, o muy específicos para
interacciones de transporte.
Sistemas aislados, cerrados y abiertos
Sistema aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni energía
con su entorno.
Sistema cerrado es el sistema que sólo puede intercambiar energía con su
entorno, pero no materia.
Sistema abierto es el sistema que puede intercambiar materia y energía con
su entorno.
Todo sistema posee una estructura microscópica
(moléculas, ellas mismas formadas por átomos,
ellos
mismos
formados
por
partículas
elementales); de modo que uno puede considerar,
a priori, las características microscópicas,
propias de cada una de las partículas
constitutivas del sistema, y las características
macroscópicas
correspondientes
al
comportamiento estadístico de estas partículas.
Sistema termodinámico
Un sistema termodinámico es un sistema macroscópico, es decir, un sistema
cuyo detalle de sus características microscópicas (comprendida la posición y
la velocidad de las partículas en cada instante) es inaccesible y donde sólo
son accesibles sus características estadísticas.
Estado de un sistema y sus transformaciones
la palabra estado representa la totalidad de las propiedades macroscópicas
asociadas con un sistema...
Cualquier sistema que muestre un conjunto de variables identificables tiene
un estado termodinámico, ya sea que esté o no en equilibrio.!!!!
Concepto de transformación: estado inicial y estado final, transformación
infinitesimal
Se dice que ocurre una transformación en un sistema si, como mínimo, cambia de
valor una variable de estado dentro del mismo a lo largo del tiempo.
Si el estado inicial es distinto del estado final, la transformación es abierta.
Si los estados inicial y final son iguales, la transformación es cerrada.
Si el estado final es muy próximo al estado inicial, la transformación es
infinitesimal.
El interés de la termodinámica se centra en los estados inicial y final de las
transformaciones, independientemente del camino seguido.
Eso es posible gracias a las funciones de estado.
Transformaciones reversibles e irreversibles
Una transformación es reversible si se realiza mediante una sucesión de
estados de equilibrio del sistema con su entorno y es posible devolver al
sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino.
Reversibilidad y equilibrio son equivalentes.
Si una transformación no cumple estas condiciones se llama irreversible.
Equilibrio termodinámico
Las propiedades termodinámicas de un sistema vienen dadas por los
atributos físicos macroscópicos observables del sistema, mediante la
observación directa o mediante algún instrumento de medida.
Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún
cambio en sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo.
Los estados de equilibrio son, por definición, estados independientes del
tiempo.
El estado de equilibrio termodinámico se caracteriza por la anulación por
compensación de flujos de intercambio y la homogeneidad espacial de los
parámetros que caracterizan el sistema que ya no dependen del tiempo.
Un estado de no equilibrio es un estado con intercambios netos de masa o
energía y sus parámetros característicos dependen en general de la posición
y del tiempo.
Si no dependen del tiempo, necesitan la intervención del entorno para
mantener sus valores (estado estacionario fuera del equilibrio).
Reversibilidad
Un proceso es reversible si su dirección puede invertirse en cualquier punto
mediante un cambio pequeño en las condiciones externas.
Para los procesos reversibles es posible basar los cálculos en las propiedades
del sistema (con independencia de los del entorno).
En los procesos reversibles, el sistema nunca se desplaza más que su equilibrio
interno o de su equilibrio con su entorno.
Noción de deposito
Se llama depósito un sistema cuyas variables intensivas no varían ni en el
espacio ni en el tiempo, sean cuales sean los intercambios efectuados entre el
sistema y el entorno. Así, un depósito es una fase que permanece
indefinidamente idéntica a si misma. Ello implica que: 1) para todas las
cantidades extensivas susceptibles de ser intercambiadas, puede considerarse
que el sistema tiene una capacidad ilimitada. 2) que los intercambios se
producen lentamente de forma que no se producen gradientes dentro del
sistema de sus variables intensivas. 3) que no se producen reacciones químicas
dentro del sistema.
La primera ley de la termodinámica afirma que la energía total de cualquier
sistema aislado se conserva.
También conocida como ley de la conservación de la energía, la Primera ley de la
termodinámica establece que si se realiza trabajo sobre un sistema, la energía
interna del sistema variará.
Se trata de la generalización de la segunda ley de Newton (conservación del
movimiento), en este caso llamamos al calor “Q” y la adoptamos como una forma
de energía y la energía interna “U” como una propiedad de la materia.
El primer reconocimiento del principio de conservación, por Leibniz en 1693, se
refería sólo a la suma de la energía cinética (½mv2) y la energía potencial (mgh)
de una masa mecánica simple situada en el campo gravitacional terrestre.
El principio de la conservación de la energía es uno de los más
fundamentales, generales y significantes principios de la teoría física.
La primera ley de la termodinámica
identifica el calor como una forma de
energía.
Esta idea, que hoy nos parece elemental, tardó
mucho en abrirse camino y no fue formulada
hasta la década de 1840, gracias a las
investigaciones de Mayer y de Joule
principalmente.
Anteriormente, se pensaba que el calor era una
sustancia indestructible y sin peso (el calórico)
que no tenía nada que ver con la energía.
Energía
En la práctica, en las situaciones no-relativistas, se tiende, en primera
aproximación (normalmente muy buena), a descomponer la energía total en una
suma de términos que se llaman las diferentes formas de la energía…
La energía potencial y la energía cinética son dos elementos a considerar, tanto
en la mecánica como en la termodinámica.
Estas formas de energía se originan por la posición y el movimiento de un
sistema en conjunto, y se conocen como la energía externa del sistema.
La energía interior de la materia, energía asociada con el estado interno de un
sistema que se llama energía interna. Cuando se sabe un número suficiente de
datos termodinámicos, como por ejemplo, temperatura y presión, se puede
determinar el estado interno de un sistema y se fija su energía interna.
La energía interna de un sistema, es el resultado de la energía cinética de las
moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energía de rotación y vibración,
además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo
gravitatorio, electromagnético y nuclear, que constituyen conjuntamente las
interacciones fundamentales. Al aumentar la temperatura de un sistema, sin que
varíe nada más, aumenta su energía interna.
La energía cinética es una forma de energía debida al movimiento de los
cuerpos. Equivale al trabajo que es necesario realizar para que el cuerpo pase
del estado de reposo ( v = 0 ) al estado de desplazamiento con una velocidad v.
La energía potencial puede pensarse como la energía almacenada en un
sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Más
rigurosamente, la energía potencial es un campo escalar (es decir, una función
de la posición) asociado a una fuerza, y tal que la diferencia entre los valores
del campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para
cualquier recorrido entre B y A.
En general la energía total, ET , de un sistema puede descomponerse en
energía de masa, Em, energía cinética, Ek, energía potencial, Ep, y energía
interna, U, es decir,
ET = Em + Ek + Ep + U
donde
Em = mc2
Ec = ½mv2
La energía potencial depende de los campos externos a los que está
sometido el sistema y viene dada por una función de la posición, y la energía
interna U que considera la energía de las partículas que constituyen el
sistema y sus interacciones a corta distancia.
En realidad, esta descomposición permite distinguir entre las formas de
energía 'mecánica' (Em, Ek y Ep) y una forma de energía 'termodinámica'
(U) que tiene sentido para un sistema estadístico constituido por un gran
número de partículas.
El cambio de energía total del sistema…
DE = DEc + DEp + DU
donde DEk y DEp representan el cambio de su energía externa, cinética y potencial respectivamente,
y DU representa el cambio de su energía interna, dada por la energía cinética y potencial de las
moléculas, átomos y partículas subatómicas que constituyen el sistema.
Energía interna
La energía interna de un sistema, U, tiene la forma de energía cinética y
potencial de las moléculas, átomos y partículas subatómicas que constituyen el
sistema, es decir,
U = Ec int + Ep int
donde la energía cinética interna es la suma de la energía cinética de todas las
partículas del sistema.
y la energía potencial interna es la suma de la energía potencial debida a la
interacción de todas las partículas entre si.
Medida de la energía
Sólo las diferencias de energía, en vez de los valores absolutos de energía,
tienen significación física, tanto a nivel atómico como en sistemas
macroscópicos. Convencionalmente se adopta algún estado particular de un
sistema como estado de referencia, la energía del cual se asigna
arbitrariamente a cero. La energía de un sistema en cualquier otro estado,
relativa a la energía del sistema en el estado de referencia, se llama la
energía termodinámica del sistema en ese estado y se denota por el
símbolo U.
Primera ley de la termodinámica
Para un sistema cerrado (de masa constante) la primera ley de la
termodinámica se expresa matemáticamente por medio de:
DET = Q - W
donde DET es el cambio total de energía del sistema, Q es el calor agregado
al sistema y W el trabajo realizado por el sistema.
La primera ley de la termodinámica expresa que el cambio total de energía de
un sistema cerrado es igual al calor transferido al sistema, menos el trabajo
efectuado por el sistema.
Si se expande DET en la expresión de la primera ley, se obtiene la ecuación
DEc + DEp + DU = Q - W
En el caso frecuente donde las energías potencial y cinética (energía
externa) del sistema no cambian, esta ecuación se convierte en:
DU = Q - W
o, en forma diferencial,
dU = dQ - dW
y todo el intercambio de energía con el entorno sirve para cambiar sólo la
energía interna.
Formas de intercambio de energía sistema-entorno
Para sistemas cerrados, el intercambio de energía sistema-entorno sólo puede
ocurrir en dos formas: calor y trabajo.
Trabajo
El trabajo en termodinámica siempre representa un intercambio de energía
entre un sistema y su entorno.
Cuando un sistema sufre una transformación, este puede provocar cambios en su
entorno.
Si los cambios implican el desplazamiento (variación) de las fuerzas que ejerce
el entorno sobre el sistema, o más precisamente sobre la frontera entre el
sistema y el entorno, entonces ha habido producción de trabajo.
Dependiendo del origen físico de las fuerzas aplicadas al sistema se distinguen
diferentes formas de trabajo realizado.
El trabajo tiene dimensiones de energía y representa un intercambio de energía
entre el sistema y su entorno.
Por convención se considera que el trabajo realizado por el sistema es positivo y
el trabajo efectuado sobre el sistema es negativo.
Calor
El calor, al igual que el trabajo, se considera en termodinámica como energía en
tránsito a través de la frontera que separa a un sistema de su entorno.
Sin embargo, a diferencia del trabajo, la transferencia de calor se origina por
una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno y el simple
contacto es el único requisito para que el calor sea transferido por conducción.
No se considera el calor que se almacena en un sistema. Cuando se le agrega
energía en forma de calor a un sistema se almacena como energía cinética y
potencial de las partículas microscópicas que lo integran. Las unidades de calor
son las de trabajo y energía.
La convención de signos utilizada para una cantidad de calor Q es opuesta a la
que se utiliza para el trabajo.
El calor añadido a un sistema se da con un número positivo, en tanto que el
calor extraído de un sistema se da con un número negativo.
Potencia
Ej: sacar nieve con una pala o con una maquina quita nieve..
El trabajo es el mismo pero la velocidad es distinta, la máquina lo hace
mucho más rápido, es decir es más POTENTE.
Cuando se realiza una cantidad de trabajo DW en un
intervalo de tiempo Dt, la potencia media se define
como la velocidad media a la que se realiza el trabajo…
P=DW/Dt
P = Fs x Ds/Dt
Juoles /seg= vatios=W
Cuando se aplica una fuerza y hay desplazamiento.
Segunda ley de la termodinámica
La primera ley es útil para comprender el flujo de energía durante un
proceso. Pero no nos dice cuáles de los procesos conservan la energía son
posibles, ni nos permite predecir en qué estado se hallará un sistema en
determinadas condiciones.
Por ej., supongamos que una maquina quema combustible y que el calor
producido se suministra a una máquina de vapor. La primera ley dice que el
trabajo realizado por la maquina más el calor desprendido por ella al
exterior son iguales al calor suministrado , ya que la energía interna de la
maquina no varía. No sabemos nada a cerca del rendimiento de la maquina…
La segunda ley trata de estudiar el comportamiento más probable de un
número de moléculas o partículas…
Los sistemas tienden a evolucionar de configuraciones muy ordenadas, altamente
improbables en la naturaleza, hacia configuraciones más desordenadas, que son
más probables estadísticamente.
Los sistemas tienden a estados de máximo desorden o caos
molecular…
Entropía
Depende solo del sistema y no de qué proceso
particular siguió para llegar a ese estado.
Si
hablamos
de
entropía tenemos que
definir
nuevamente
procesos reversibles e
irreversibles…
Un procesos reversible es aquel en que se
puede hacer que el sistema vuelva a su
estado original sin variación neta del
sistema ni del medio ambiente.
La mayoría de los procesos naturales son irreversibles…
Cuando se transforma calor entre dos objetos de distinta temperaturas,
puede hacerse que el calor vuelva al sistema de mayor temperatura, pero
esto requiere TRABAJO por parte del medio externo…
Es decir el medio externo se tiene qu modificar para poder devolverle el
estado inicial al sistema.
Definiendo entropía…
Si añadimos a un sistema una
pequeña cantidad de calor DQ a
una temperatura Kelvin T
durante un proceso reversible,
el cambio de entropía es…
DS= DQ/T
Proceso reversible
La entropía total del sistema más el medio exterior nunca puede disminuir…
DS (total)> ó = 0
El desorden molecular de un sistema más el medio es
constante si el proceso es reversible y aumenta (DS
es +) si el proceso es irreversible…