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3. PROPIEDADES Y ESTADOS
3.1 LOS CONCEPTOS DE PROPIEDAD Y ESTADO
La propiedad es cualquier característica o atributo que se puede
evaluar cuantitativamente
• El volumen
• La masa
• La energía
• La temperatura
• La presión
• La magnetización
• La polarización
• El color son propiedades de la materia.
Las propiedades son cosas que "posee" la materia
El trabajo y el calor no son propiedades
El estado de cualquier cosa es su condición y está descrita por medio de una serie de valores de sus propiedades.
El trabajo y el calor no son propiedades
• El trabajo y el calor se "realizan" sobre un sistema y producen
cambios en sus propiedades
• La cantidad de energía transferida depende de cómo se realiza
dicho cambio
• El estado termodinámico es la condición de la materia descrita
por todas las propiedades termodinámicas
• No todas las propiedades varían independientemente
• El estado termodinámico puede ser fijado por los valores dados
por solo unas cuantas propiedades termodinámicas
• El resto de las propiedades puede obtenerse por el valor de
esas cuantas propiedades independientes
3.2 EL EQUILIBRIO Y LAS PROPIEDADES TERMODINÁMICAS
• Sistema aislado y cerrado de dos gases
• Pistón móvil, inicialmente fijado
• Temperaturas, presiones y volúmenes diferentes
• Fronteras rígidas y adiabáticas
• Para cada tipo de equilibrio existe una propiedad termodinámica
que dos sistemas tienen en común
• En la teoría de la termodinámica esta idea se utiliza para definir
a la propiedad
• Estas definiciones aplican exclusivamente a los sistemas en
equilibrio.
Equilibrio termodinámico
• Se usa para indicar que existe una condición invariable con
respecto a todos los cambios macroscópicos posibles en un sistema donde las moléculas tienen la libertad de actuar entre sí
de cualquier forma
• No presenta flujo macroscópico de energía, materia o carga, a
pesar de que las moléculas se encuentran en libertad de producir dichos flujos
• Existe en una porción de materia que si se aísla y se observa no
existen cambios macroscópicos cuando las moléculas pueden
moverse con libertad para que intercambien energía, masa o
carga.
Propiedades termodinámicas y equilibrio termodinámico
• Las propiedades que en alguna forma son relevantes para la
energía se conocen como propiedades termodinámicas
• Cualquier propiedad definida en función de otras propiedades
termodinámicas debe ser también una propiedad termodinámica
• El término propiedad termodinámica se refiere exclusivamente a
un sistema termodinámico en equilibrio.
3.3 MEDICION DE LAS PROPIEDADES
• La actividad microscópica continúa
• El estado macroscópico ha llegado al equilibrio
• Las mediciones macroscópicas tienen valores constantes y son
propiedades del sistema en estado de equilibrio
• Los valores constantes de las propiedades corresponden a sus
valores promedio y son suficientemente informativos para resolver los problemas de Ingeniería
• A estos promedios se les conoce como propiedades macroscópicas
3.3.1 PRESIÓN
Concepto.
• Mecánico: la fuerza por unidad de área que un fluido ejerce
sobre una pared
• Puede considerarse a la presión como el resultado de billones
de choques que suceden cada segundo entre las moléculas de
un fluido y una pared sólida
La presión dentro del fluido estático
La presión dentro de un fluido en movimiento
• Se deben considerar las fuerzas viscosas y la definición de presión tendrá que ser cuidadosa.
Mediciones de presión. Manómetro
Presión
• Manométrica, es la "sensada" sobre la atmosférica
• Absoluta, considera la atmosférica
3.3.2 TEMPERATURA
Concepto.
• Los movimientos moleculares tienden a ser más rápidos a altas
temperaturas
• La energía tiende a pasar de las moléculas que forman una región de mayor temperatura hacia las que se mueven lentamente
que conforman una región de menor temperatura.
• La temperatura es una propiedad de la materia
• La energía interna de una sustancia depende en parte -pero no
totalmente- de la temperatura
• La temperatura de una pequeña porción de materia es la misma
de todo el cuerpo, la energía de una pequeña porción sólo es
una fracción de su energía total.
Medición de la temperatura. Termómetro
Temperatura
Ley Cero de la Termodinámica.
Si dos sistemas están en equilibrio térmico, deben tener la misma
temperatura. Si cada uno de ellos está en equilibrio con un tercero,
los tres tendrán la misma temperatura, por lo que cualesquiera dos
de ellos o los tres están en equilibrio térmico.
3.4 ESTADOS INTENSIVO Y EXTENSIVO
Las propiedades extensivas son aquellas que dependen del tamaño
o extensión del sistema
• Volumen
• Masa
• Área superficial
Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen del
tamaño del sistema
• Temperatura
• Presión
Cualquier propiedad extensiva, se puede convertir en una propiedad
intensiva al dividirse por la masa,
v = V/m
El estado termodinámico intensivo de un sistema
• Está determinado por las propiedades termodinámicas intensivas
• Al determinarse su tamaño, la masa, se logra una descripción
completa del estado termodinámico extensivo.
3.5 EL POSTULADO DE ESTADO
3.5.1 Modo de trabajo reversible
Es aquella forma relevante de realizar y recibir la misma cantidad de
trabajo, al partir y regresar al mismo estado .
dW = - p dV
Fig. 7 Modo de trabajo reversible por el cambio de volumen.
3.5.2 El postulado de estado
El número de propiedades termodinámicas que varían en forma
independiente para un sistema específico, es igual al número de tipos
importantes de trabajo reversible más uno.
El número de propiedades termodinámicas intensivas independientes de un sistema especifico, es igual al número de tipos importantes de trabajo reversible más uno.
p, V
p = const; V
T, U
T = const; U
Fig. 8 Variación de propiedades independientes en una sustancia
simple compresible.
• No en cualquier caso, un par de variables son independientes
3.6 ESTADOS DE SUSTANCIAS SIMPLES
• Las descripciones más simples de la materia se obtienen como
sustancias idealizadas
• Una sustancia simple tiene solo un tipo relevante de trabajo
reversible
• El postulado de estado establece que el número de propiedades
termodinámicas intensivas que varían en forma independiente
de una sustancia simple son dos
• El término sustancia simple compresible se aplica a cualquier
sustancia en la que el único tipo importante de trabajo reversible
está dado por el cambio de volumen y es p dv.
- Ninguna sustancia es realmente simple compresible
- Se encuentra que análisis ingenieriles satisfactorios se pueden
hacer tratando a las sustancias involucradas como si fueran sustancias simples compresibles.
Pares de propiedades termodinámicas intensivas de una sustancia
simple compresible son:
(u, v)
(u, p)
3.7 ECUACIONES DE ESTADO
- A partir del postulado de estado se sabe que la temperatura y la
presión de una sustancia simple compresible puede expresarse
funcionalmente como:
T = T(u, v)
p = p(u, v)
Una ecuaciones de estado de una sustancia simple compresible es
una relación matemática que determina a una propiedad termodinámica intensiva en función de cualesquiera dos propiedades termodinámicas intensivas que varían en forma independiente.
Se puede fijar completamente al estado termodinámico especificando
el valor de todas las propiedades termodinámicas dadas por sus
ecuaciones de estado, a partir del valor de dos propiedades termodinámicas intensivas que varían independientemente.
Una sustancia simple compresible puede existir en varias formas.
• En forma gaseosa, las moléculas están muy separadas y se
mueven libremente encontrando que tienen nuevos vecinos,
existe muy poca energía que está relacionada con las fuerzas
intermoleculares.
• En forma líquida, las moléculas están mucho más compactadas
pero aún se mueven con cierta libertad. Para romper las fuerzas
intermoleculares de enlace que existen en los líquidos se necesita suministrar gran cantidad de energía, a comparación con
los gases.
• En forma sólida, las moléculas están restringidas a una posición
definida dentro de una red cristalina y en consecuencia siempre
tienen a los mismos vecinos. La fusión de un sólido se logra al
suministrar suficiente energía para liberar individualmente a las
moléculas. Existen varios tipos de estructuras en una red cristalina y por tanto, diversos tipos de sólidos .