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Conceptos
fundamentales en
Termodinámica
Física II
Grado en Ingeniería de
Organización Industrial
Primer Curso
Joaquín Bernal Méndez
Curso 2011-2012
Departamento de Física Aplicada III
Universidad de Sevilla
Índice
Introducción
Sistema y entorno
Criterios macroscópico y microscópico
Coordenadas termodinámicas
Equilibrio
Procesos termodinámicos
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Introducción
Termodinámica: rama de la Física que
estudia los fenómenos inherentes a las
transformaciones energéticas y sus efectos
sobre el estado de la materia
Origen: estudio de la producción de trabajo
a partir de fuentes de calor
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Índice
Introducción
Sistema y entorno
Criterios macroscópico y microscópico
Coordenadas termodinámicas
Equilibrio
Procesos termodinámicos
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Sistema y entorno
Sistema: región del universo que aislamos
para estudiarla
Frontera
Sistema
Entorno
masa y
energía
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Clasificación de los sistemas (I)
Abierto: existe transferencia de materia y
energía entre sistema y entorno
Ejemplos: turbina; organismo vivo.
Cerrado: sólo hay transferencia de energía
Ejemplo: gas encerrado en recipiente con
paredes móviles
Aislado: no hay intercambio de materia ni
energía
Ejemplos: universo; sistema junto con su entorno
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Clasificación de los sistemas (II)
Homogéneos: propiedades físicas y
químicas iguales en todo punto del sistema
Ejemplos: gas, disolución diluida, sólido puro
Heterogéneos: formado por subsistemas
homogéneos (fases) de propiedades
distintas
Ejemplo: disolución saturada, agua y hielo
En este bloque nos limitaremos al estudio
de sistemas homogéneos
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Índice
Introducción
Sistema y entorno
Criterios macroscópico y microscópico
Coordenadas termodinámicas
Equilibrio
Procesos termodinámicos
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Criterios macroscópico y
microscópico
Descripción del estado de un sistema:
Mecánica: coordenadas espaciales y de
velocidad
Electromagnetismo: valores de los campos
eléctricos y magnéticos en todos los puntos
del espacio
En Termodinámica se trata de describir el
estado “interno” de un sistema
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Criterio microscópico
Método de la Termodinámica estadística
Es preciso establecer una hipótesis sobre
estructura de la materia
Se describe el estado del sistema con
muchas variables: Peso
• Velocidad media
No intuitivas
No medibles
Pistón
Gas
• Tiempo
promedio entre
colisiones
• etc..
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Criterio macroscópico
Método de la Termodinámica clásica
No se parte de hipótesis sobre estructura de
la materia
Se describe el estado del sistema con unas
pocas variables:
Peso
Sugeridas por los sentidos
Medibles
P, V, T
Pistón
Gas
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Índice
Introducción
Sistema y entorno
Criterios macroscópico y microscópico
Coordenadas termodinámicas
Equilibrio
Procesos termodinámicos
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Coordenadas termodinámicas
Magnitudes macroscópicas útiles para
determinar el estado de un sistema
Ejemplos: presión, volumen, masa,
temperatura…
También: propiedades del sistema
Normalmente un subconjunto de estas
coordenadas termodinámicas es suficiente
para caracterizar el estado del sistema:
Coordenadas de estado ó
variables de estado
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Coordenadas termodinámicas (I)
P, T, V, , m
P, T,  P, T, 
V/2
V/2
m/2
m/2
Propiedades extensivas: su valor depende
de las dimensiones del sistema
Propiedades intensivas: su valor no depende
de la masa ni del volumen del sistema
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Coordenadas termodinámicas (II)
Las propiedades extensivas pueden
expresarse por unidad de masa: magnitudes
específicas
Ejemplo: volumen específico: v 
V
m
También pueden expresarse por unidad
molar: magnitudes molares específicas
Ejemplo: volumen molar:
v0 
V
n
Las magnitudes específicas son intensivas
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Coordenadas termodinámicas (III)
Tienen un significado macroscópico
Carece de sentido aplicarlas a sistemas con
un reducido número de moléculas o átomos
¡ Una molécula carece de T ó P !
Cuando se usan en forma diferencial: dP,
dV… denotan cambios macroscópicos.
Ejemplo: Un dV es un cambio de volumen
pequeño respecto a V, pero suficientemente
grande para contener un número muy elevado
de moléculas
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Índice
Introducción
Sistema y entorno
Criterios macroscópico y microscópico
Coordenadas termodinámicas
Equilibrio
Procesos termodinámicos
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Equilibrio
Se dice que un sistema se encuentra en equilibrio
termodinámico si no es capaz de experimentar un
cambio espontáneo de estado sin un cambio de su
entorno
El equilibrio termodinámico implica:
Equilibrio térmico
Equilibrio mecánico
Equilibrio de fases
Equilibrio químico
Las propiedades de un sistema solamente están
definidas con claridad dentro del equilibrio
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Equilibrio: ecuación de
estado (I)
Relación entre las coordenadas
termodinámicas de un sistema en equilibrio
Pueden obtenerse mediante
experimentación ó estudio teórico (ajeno a la
Termodinámica)
Sistema PVT: f ( P,V , T )  0
Peso
Pistón
Ejemplos:
Gas ideal: PV  nRT
Gas de Van der Waals:
Gas

2 a 
P

n
V  nb   nRT

2 
V


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Equilibrio: ecuación de
estado (II)
Ejemplo: sistema hidrostático puro, sistema
simple compresible ó sistema PVT
Peso
Pistón
Gas
Coordenadas termodinámicas: P,
V, T, ,…
Ecuación de estado: f ( P,V , T )  0
Dos coordenadas describen el
estado del sistema
Coordenadas de estado
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Equilibrio: ecuación de
estado (III)
Ejemplo: hilo estirado
Coordenadas termodinámicas: F,
L, T, densidad lineal…
Ecuación de estado: f ( F , L, T )  0
Dos coordenadas describen el
estado del sistema
L
F
Coordenadas de estado
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Índice
Introducción
Sistema y entorno
Criterios macroscópico y microscópico
Coordenadas termodinámicas
Equilibrio
Procesos termodinámicos
Funciones de estado
Procesos cuasi-estáticos
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Procesos termodinámicos
Cuando cambia alguna propiedad del
sistema, el estado del sistema cambia
Proceso termodinámico
Tipos especiales de procesos:
Isotermo: la temperatura permanece constante
Isóbaro: la presión permanece constante
Isocoro: el volumen permanece constante
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Funciones de estado
Toda magnitud cuya variación en un
proceso depende exclusivamente del estado
inicial y el estado final: Y  Y2  Y1
Matemáticamente: toda magnitud que puede
expresarse como una función de las
variables de estadoY  Y ( P, T )
Ejemplos: energía interna, entalpía, volumen,…
No son funciones de estado el calor y el trabajo
Las propiedades de un sistema son, por
definición, funciones de estado
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Procesos cuasi-estáticos (I)
Infinitamente lentos (irrealizables)
El sistema se considera en equilibrio en
cualquier punto del proceso
La ecuación de estado se cumple en
cualquier punto del proceso
Tienen gran importancia teórica y práctica
en Termodinámica
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Procesos cuasi-estáticos (II)
Un proceso cuasi-estático puede representarse en
una gráfica (sucesión de puntos de equilibrio):
P
2
P
2
1
1
V
T
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Resumen
La termodinámica clásica estudia el estado macroscópico de los
sistemas y cómo les afectan las transformaciones energéticas
El estado del sistema viene determinado por el valor de sus
propiedades ó coordenadas termodinámicas
En un sistema en equilibrio existe una ecuación de estado:
propiedades no son independientes
Las propiedades necesarias y suficientes para determinar el
estado del sistema: coordenadas de estado
Cuando un sistema cambia de estado sufre un proceso
termodinámico
Las funciones de estado son aquellas magnitudes cuya
variación en un proceso sólo depende del estado inicial y el
estado final, pero no de la forma en que se realiza el proceso
Las propiedades de un sistema son funciones de estado
Un proceso cuasi-estático es aquel en el que el sistema se
encuentra siempre en equilibrio (irrealizable en la práctica)
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