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Termodinámica
Ciencia macroscópica que estudia las relaciones entre las
propiedades de un sistema en equilibrio y el cambios del valor de
éstas en los diferentes cambios en equilibrio.
Palabras griegas: calor y potencia: Ciencia que estudia el calor,
el trabajo, la energía y los cambios que ellos producen en los
estados del sistema.
ALREDEDORES
PARED
O
LIMITE
SISTEMA
UNIVERSO = SISTEMA + ALREDEDORES + PARED DEL SISTEMA
1.- PAREDES
a) Permeables
b) Impermeables
c) Adiabáticas
d) Diatérmicas
2.- SISTEMAS
a) Abierto
b) Cerrado
c) Aislado
3.- PROPIEDADES TERMODINÁMICAS
Características medibles directa o indirectas, necesarias para
determinar el estado del sistema. Por ejemplo la presión, el
volumen entre otras.
PROPIEDADES INTENSIVAS Y EXTENSIVAS
Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen de
la masa del sistema, ejemplo la presión y las extensivas que
si dependen de la presión, ejemplo el volumen.
Estado de un sistema
Los valores que tienen las propiedades de un sistema
determinan el “estado de un sistema”.
El estado de un sistema queda determinado al fijar los
valores de algunas de las propiedades .
Cambio de estado
Se produce cuando cambia el valor de alguna propiedad
intensiva
Estado Inicial (i)
Estado Final (f)
“Para determinar un cambio de estado, no se requiere conocer
los valores intermedios de las variables intensivas por los que
pasa el sistema”
CAMBIO
trayectoria recorrida
Estado Inicial
Estado Final
Tipos de cambios
1. Isotérmico
2. Isobárico
3. Isocórico
4. Adiabático
5. Reversible
6. Irreversible o expontáneo
Concepto de Trabajo y Energía
Teorema de Trabajo y Energía:
Basado en: δW = Fx dx y Energía mecánica
Postula:
Ec = ½ mu2 Energía Cinética
W = D K = K2 - K1
Trabajo realizado sobre una partícula por la fuerza que actúa sobre
ella es igual a la variación de la energía cinética de la partícula.
Energía Potencial (Ep)
Emecanica= Ec + Ep
Trabajo
L
Fx
Sistema
A
dx
δW = FXdx
dV =Adx
P = F/A
δW = P A dx
δW = P dV
V2

W  P dV
V1
Sistema cerrado, proceso reversible
sistema
Para que el cambio se produzca es necesario que se cumpla: Psistema>Palrededores
Si suponemos que la Psistema es ligeramente superior a la Palrededores, la expansión será
ligeramente (lenta) y si el incremento de presión sería un diferencial de presión,
entonces originará un diferencial de incremento de presión y como consecuencia de esto
un incremento de un diferencial de volumen del sistema, o sea:
δWsistema = Psistema dVsistema
δWsistema = Psistema dVsistema
Si el diferencial de presión, tiende al límite, entonces el cambio será tan lento que en esa
condición se puede expresar lo siguiente:
Psistema≈Palrededores
Por tanto el trabajo hecho por el sistema se puede expresar así:
δWsistema = Palrededores dVsistema
δWsistema = Poposición dVsistema
La trayectoria de la expansión dependerá de la variación de la presión de oposición. Por
ejemplo, si el cambio puede es a presión constante, la presión de oposición será
constante, y el cambio terminará cuando la presión del sistema se iguala a la presión de
oposición. El trabajo será:
Wsistema = Poposición (Vfinal-Vinicial)
Debemos tener presente que para encontrar el trabajo hecho por el sistema o contra el
sistema, es necesario identificar la presión de oposición. En el caso que el cambio es de
compresión la presión de oposición es la del sistema y la causante del cambio es la presión
de los alrededores.
Para cambios muy lentos y en equilibrio, nuevamente podemos escribir:
Psistema≈Palrededores
δWsistema = Palrededores dVsistema
δWsistema = Poposición dVsistema
Calor
Caloría: cantidad de energía que se necesita para elevar la
temperatura de 1 g de agua en 1 º C.
Primera Ley de la Termodinámica
Energía interna: U
Etotal = Ec + Ep + U
E=U
Primera
Ley
Sistema en reposo en ausencia de campos externos
Existe una función de estado
extensiva llamada energía, tal que
para cualquier proceso en un
sistema cerrado se cumple:
DU = Q - W
DU = Q - W
Sistema en reposo en ausencia de
campos externos
U: Función de estado
DU : U2 – U1
Convenio de Signos
MEDIO
AMBIENTE
W>0
W<0
SISTEMA
Q>0
Q<0
Entalpía
H = U + PV
Utilizando el concepto de Entalpía y la primera Ley de la
Termodinámica
A P cte
DH = QP
A V cte
DU = QV
Capacidades Caloríficas
Propiedad que mide la cantidad de energía calorífica
que se debe añadir a una sustancia para producir un
aumento dado de su temperatura.
a) A P cte.
δQP = dH
 Q 

C p  
 T  p
 dH
C p  
 dT


p
b) A V cte.
 Q 

Cv  
 T v
δQV= dU
 dUQ 

Cv  
 dT v
Capacidad Calorífica Molar
A P cte CP,m = CP
n
A V cte CV,m = CV
n
A.- Gases monoatómicos
CV = 3/2 R
CP = 5/2 R
B.- Gases diatómicos
CV = 5/2 R
CP = 7/2 R
Primera ley aplicada a gases perfectos
Gas ideal
PV = nRT
Gas perfecto
a) PV = nRT
b) U = 0
V
T
dU = CV dT
U = U (T)
H = U + PV
= U + nRT
H = H (T)
CP - CV = nR
dH = CP dT
CP,m - CV,m = R
Aplicaciones de la primera ley a los gases perfectos
1.- Proceso cíclico
DU, DH = 0
Q, W  0
2.- Proceso isotérmico ( T constante)
DU, DH = 0
Q = W (signos)
2.1 Reversible
dW = - P dV
P = nRT/V
dW = - nRT dV/V = W = -nRT  dV/V = - nRT Ln V2/V1
- nRT Ln P1/P2
2.2 Contra una presión externa igual a la presión final
dW = - P dV = W = - P  dV = W = - P (V2 – V1)
3.- Proceso reversible a P constante ( Isobárico)
DU = Q + W
W = - P  dV
Q = QP = DH
dQP = CP dT = QP = CP  dT = n CP,m  dT
4.- Procesos reversibles a volumen constante (isocórico)
DU = Q + W
W = - P  dV = 0
DU = QV
dQV = CV dT = QV = CV  dT = n CV,m  dT = DU
DH = DU + D PV
DH = DU + PDV + VDP + DVDP
DH = DU + VDP
5.- Proceso reversible adiabático
DU = Q + W
Q = 0 DU = W
W = - P  dV
DU = CV  dT = DU = CV (T2 - T1) = n CV,m (T2 - T1) = W
DU = W
CV  dT = -P  dV = -nRT  dV = - nRT Ln V2/V1
n CV,m  dT = - nRT Ln V2/V1
CV,m  dT/T = R Ln V1/V2
CV,m Ln T2/T1 = R Ln V1/V2
Ln T2/T1 = Ln (V1/V2) R/C,vm
DH = DU + D(PV) = DU + nRDT
Ejercicios
1.- 1 mol de He a 100 ºC y 1 atm se calienta hasta los 200 ºC según
los siguientes procesos:
a) Colocándolo en una fuente térmica a 200 ºC hasta que alcance el
equilibrio manteniendo P cte.
b) Idem, pero manteniendo V cte
c) En forma adiabática
Calcule W, Q, DU y DH
2.- 1 mol de un gas perfecto a 4 atm experimenta una expansión
a una temperatura constante de 26 ºC. La presión disminuye
reversiblemente a 1 atm. Calcule los valores de ∆U, ∆H, W y
Q.
3.- Se tiene 1 mol de un gas ideal a 25 ºC y 1 atm en un
volumen determinado. Si después de un determinado tiempo
podemos observar lo siguiente:
Un volumen tres veces mayor al inicial
Una Temperatura distinta a la inicial
Una Presión igual a 1 atm.
Calcule Q, W, DU, DH
4.- 1 mol de gas ideal monoatómico se encuentra en un estado inicial
caracterizado por una P igual a 10 atm y un volumen de 5 L. Si este
se expande isotérmicamente de manera reversible hasta un volumen
de 10 L. Calcule W, Q, DU y DH.