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Termodinámica I
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Universidad Centroamericana José Simeón Cañas
Termodinámica I
Termodinámica I
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Guión de clase Termodinámica I
Termodinámica I
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Introducción Una teoría es más grandiosa, cuando mayor es la simplicidad de sus premisas, mayor numero de fenómenos relaciona y más extensa es el área de su aplicación. Esta es la razón fundamental de la profunda impresión que me causa la Termodinámica. Es la única teoría física de contenido universal respecto a la cual estoy convencido de que, dentro de la estructura de la aplicación de sus conceptos básicos, nunca será destruida.
A. E.
A partir del siglo XIX se construyeron las primeras máquinas de
vapor y, poco después, los motores de combustión interna. Como los
rendimientos de estas máquinas eran muy bajos, los constructores se
lanzaron a hacer análisis y experimentos más detallados; fue así
como Sadi Carnot, después de experimentar durante varios años con
una máquina de vapor, desarrolló las leyes de la transformación de
calor en trabajo. Estas leyes permitieron a Rodolfo Clausius
cuantificar la energía degradada y estableció el concepto de entropía
con el que se asiste al nacimiento de la Termodinámica.
La termodinámica en sus comienzos, se centró en el estudio de las
transformaciones mutuas de energía térmica en mecánica. En la
actualidad, es una ciencia que se encuentra en una fase de profundo
desarrollo. Constantemente surgen, en nuestros días, nuevos aspectos
de la misma que, sin tener todavía considerables aplicaciones
ingenieriles, suponen importantes aportaciones conceptuales. Han
nacido, de esta forma, la termodinámica estadística, basada en la
matemática probabilística y en el desarrollo de la teoría cinético –
molecular de la materia, y la termodinámica atómica cuyas bases
proceden de la teoría atómico – molecular.
Las realizaciones ingenieriles e incluso artesanales de la
termodinámica precedieron al nacimiento de esta como ciencia.
Thomas Newcomen, herrero de Dartford, y J. Cowley patentan, en
1705, sus ideas sobre la construcción de una máquina de vapor que,
el primero llevaría a cabo en 1712.
James Watt (1736 – 1819), nacido en Escocia y en cuyo honor se da
nombre a la Unidad Internacional de potencia, puso su pensamiento
a trabajar en los fundamentos científicos de la utilización del vapor.
En 1764, estudió, para repararla, una máquina de Newcomen. En
1769, desarrolló el condensador independiente y la máquina de doble
efecto. Inventó, además, ingeniosos dispositivos, entre los que figura
su famoso regulador. Sus trabajos le merecieron el grado de doctor
“honoris causa” por la Universidad de Glasgow.
El título de creador de la termodinámica como ciencia debe
atribuirse, con todo merecimiento, a Nicolas Leonard Sadi Carnot
(1796 – 1832), ingeniero militar francés, que en su obra “Reflexions
sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres a
developper cette puissance” (1824), estudia el ciclo termodinámico
ideal que lleva su nombre y establece operativamente el Segundo
Principio de la termodinámica. Incluso, a pesar de trabajar con el
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falso supuesto de la teoría del calórico, utiliza, sin enunciarlo, el
Primer Principio de la termodinámica.
A partir del trabajo de Carnot, puede señalarse un gran número de
importantes aportaciones entre las que se encuentran:
- 1834. El físico e ingeniero francés Benoit Pierre Emile
Clapeyron (1799 – 1864), profesor de mecánica de la
Escuela de Caminos de Paris, hace una interpretación,
analítica y grafica, de los estudios de Carnot. Establece,
junto con Clausius, la relación matemática que describe
el comportamiento de la presión de vapor del agua en
función de la temperatura. Introduce el diagrama pv y
formula la ecuación de los gases perfectos.
- 1842. Julius Robert Mayer (1814 – 1879), médico
alemán, enuncia el Primer Principio de la
Termodinámica y calcula el equivalente mecánico del
calor basándose en datos sobre los calores específicos
de los gases.
- 1843. James Prescott Joule (1818 – 1889), fue profesor
privado en Manchester (Inglaterra) y en su honor se da
el nombre a la Unidad Internacional de Trabajo.
confirma experimentalmente el Primer Principio y el
valor del equivalente mecánico del calor. Descubre,
junto con Lord Kelvin, el denominado Efecto Joule –
Thomson.
- 1847. El médico y físico alemán Hermann Ludwig
Ferdinand Helmholtz (1821 – 1894), formula de modo
preciso el Primer Principio como ley universal. Fue
cirujano del ejercito Prusiano, profesor de fisiología en
Konisberg (1849), Bonn (1855) y Heidelberg (1858).
Por último, fue profesor de física en Berlín (1871) y
presidente del Instituto Nacional de Técnica Física. En
el campo de la medicina inventó el oftalmoscopio.
- 1850. Rudolf Julius Emmanuel Clausius (1822 – 1888),
publica su trabajo “Ubre die bewegende Kraft der
Warme und die Gesetze, welche sich daraus fur die
Warmelehre selbst ableiten lassen” (Acerca de la fuerza
motriz del calor y las leyes que se derivan de ello para
la termología misma). En él, relaciona, por primera vez,
los trabajos de Mayer y Joule con los de Carnot y hace
una formulación completa de los dos Principios de la
termodinámica. Desarrolló la teoría cinético –
molecular de los gases e introdujo el concepto de
entropía. Fue profesor de física en la Escuela de
Ingenieros de Berlín y en las Universidades de Zurich,
Wurzburg y Bonn.
- 1851. William Thomson (Lord Kelvin) (1824 – 1907),
profesor durante 53 años de física natural en la
Universidad de Glasgow y en cuyo honor se da nombre
a la Unidad Internacional de Temperatura absoluta.
Mostró, junto con Clausius, que el Segundo Principio
no es dependiente de la teoría del calórico. Publicó
papeles técnicos sobre geofísica, electricidad,
magnetismo y otras ramas de la ciencia.
- William John Mac Quorn Rankine (1820 – 1872),
ingeniero escocés y profesor de la Universidad de
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Glasgow, introduce el ciclo teórico que lleva su nombre
y publica numerosos libros y más de 150 trabajos sobre
termodinámica, mecánica, canales, construcción de
buques, máquinas de vapor y sistemas de
abastecimiento de agua.
- James Clerk Maxwell (1831 – 1879), escocés, hizo
importantes aportaciones a la teoría cinético –
molecular de los gases. Fue autor de la teoría
electromagnética de la luz y estableció los grupos de
ecuaciones, que llevan su nombre en electricidad y
magnetismo. Se formó en la Universidad de Edimburgo
y en la Cambridge. Fue profesor de física y astronomía
en el King´s College de Londres y, en 1871, se
convirtió en el primer profesor de física experimental en
la Universidad de Cambridge.
- 1873. Johannes Diderik Van der Waals (1837 – 1923),
físico holandés, publica su trabajo “Over der
continuiteit van den gas en vloiestof toestand” (Acerca
de la continuidad de un gas en cambio de estado a
líquido). Formula la ecuación que lleva su nombre y
que expresa el comportamiento relativo de las fases
líquida y gaseosa de una sustancia. Establece también el
teorema de los estados correspondientes. Fue profesor
de física teórica, desde 1877, en la Universidad de
Ámsterdam. En 1910, se le concedió el premio Nobel
de Física.
- 1874. El ingeniero belga Alfred Belpaire (1820 – 1893),
introduce el diagrama Ts.
- 1875. Josiah Willard Gibbs (1839 – 1903), escribe su
trabajo “On the equilibrium of Heterogeneous
Substances” y establece la Regla de las Fases. Recibió
de la Universidad de Yale, en 1863, el primer Ph. D. en
ingeniería concedido en Norteamérica. Fue profesor de
física matemática en Yale hasta su muerte.
- 1904. Richard Mollier (1863 – 1935), profesor de la
Escuela Técnica Superior de Dresden, introduce el
diagrama hs del vapor de agua y el hHA del aire
húmedo.
- 1906. Hermann Walter Nernst (1864 – 1941), químico
físico alemán, enuncia su teorema del calor o principio
de inaccesibilidad del Cero Absoluto, denominado
también Tercer Principio de la termodinámica. Fue
profesor en Leipzig (1889), y en Göttingen (1894), de
donde pasó a Berlín (1905) como director del Instituto
de Química – Física de la Universidad, siendo
nombrado, en 1925, Director del Instituto de Física, al
suceder a M. Planck. Se le concedió el premio Nobel de
Química en 1920.
- 1915. Wilhelm Nusselt (1882 – 1957), establece los
fundamentos de la transmisión de calor.
- Max Planck (1858 – 1947), profesor de física de la
Universidad de Berlín desde 1889, contribuye a
establecer las bases de la teoría cuántica y hace una
formulación del Tercer Principio de la termodinámica.
Se la concedió el premio Nobel de física en 1918.
Termodinámica I
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Algunas Biografías
Sadi Carnot, físico francés, fue el
primero que demostró la relación
cuantitativa entre el trabajo y el calor.
Carnot nació en París el 1 de junio de
1976 y fue educado en la École
Polytechnique, de París, y en la École
Genie, de Metz. Sus intereses incluían
las matemáticas, la reforma
impositiva, el desarrollo industrial y
las bellas artes.
En 1824 publicó su único trabajo Reflexiones sobre de la potencia
motriz del calor, en el cual analizó la importancia industrial, política
y económica de la máquina de vapor. Ahí definió al trabajo como el
"peso levantado a cierta altura".
En 1824 demostró que la potencia de una máquina de vapor será
mayor cuanto mayor sea su temperatura de funcionamiento sobre la
temperatura ambiente. También consiguió determinar el porcentaje
de calor que utiliza la máquina para convertirlo en trabajo. Carnot fue
el fundador de la ciencia de la Termodinámica.
En 1831 Carnot empezó a estudiar las propiedades físicas de los
gases, en particular la relación entre la temperatura y la presión.
El 24 de agosto de 18 murió repentinamente de cólera. De acuerdo
con la costumbre de su época, todos sus objetos personales fueron
quemados, aunque por fortuna algunas de sus notas se salvaron del
fuiego. Las notas de Carnot condujeron a Lord Kelvin a confirmar y
ampliar la ciencia de la termodinámica en 1850.
(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/fisicos/carnot.htm).
James Watt, ingeniero y mecánico
escocés. Tras aprender en Londres
(1755) el oficio de constructor de
instrumentos matemáticos, empezó a
ejercer como tal al servicio de la
Universidad de Glasgow, ciudad
donde estableció un floreciente
negocio (1757) asociado con John
Craig.
En 1765, con motivo de la reparación
de un modelo de la máquina atmosférica de Newcomen, tuvo la idea
de mejorar su rendimiento añadiéndole un condensador, separado del
cilindro, para poder mantener a este último siempre caliente.
Watt patentó su invento en 1769 y obtuvo el patrocinio de John
Roebuck para emprender la construcción de una máquina de tamaño
normal que incorporase este nuevo método para reducir el consumo
de vapor y combustible; pero las dificultades a la hora de obtener
mano de obra especializada, así como materiales y herramientas
Termodinámica I
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adecuados, retrasaron el proceso. Tras la quiebra financiera de
Roebuck en 1773, Watt se asoció con Matthew Boulton, un industrial
de Birmingham, y la primera máquina de Boulton y Watt entró en
funcionamiento en marzo de 1776. En los años siguientes introdujo
una serie de importantes perfeccionamientos en la máquina, entre los
que destaca: la invención de un mecanismo, accionado por la propia
máquina, para inyectar alternativamente vapor a ambos lados del
pistón (máquina de doble efecto); la introducción del paralelogramo
articulado, que permitía resolver el problema de transmitir el impulso
del émbolo de movimiento rectilíneo al balancín cuyos extremos
describían un arco mediante un sistema de varillas; la incorporación
de un regulador que gobernaba la entrada de vapor y mantenía a la
máquina funcionando a velocidad uniforme; y la adopción del
engranaje planetario, que favoreció el uso industrial de la máquina al
capacitarla para producir un movimiento rotativo.
(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/ingenieros/watt.htm)
Benoit Pierre Emile Clapeyron,
ingeniero de minas francés nacido en
París.
Ingresó en la Escuela Politécnica en
1816, de la que salió dos años
después para ingresar en el cuerpo de
ingenieros de minas. En 1820 marchó
a Rusia donde dirigió varias obras
públicas y ocupó la cátedra de matemáticas puras y aplicadas de la
Escuela de Trabajos Públicos de San Petersburgo. De regreso a
Francia (1830) se dedicó a la construcción de varios ferrocarriles,
entre ellos el de París a Saint Germain y de París a Versailles (orilla
derecha). Fue admitido en la Academia de Ciencias en 1858.
El diagrama de Clapeyron se emplea en la representación del
estado de un sistema homogéneo, en el que se toman como abscisas
los volúmenes y como ordenadas las presiones correspondientes al
mismo. Se utiliza en la práctica para representar la evolución de un
gas: cuando éste sufre una transformación, varían su presión o su
volumen, o ambos a la vez; el punto representativo del estado del
sistema describe una curva determinada en el diagrama, llamada
curva de evolución del sistema.
La fórmula de Clapeyron es una relación que da el calor latente de
cambio de estado de un cuerpo puro en el curso de una transición de fase
del primer orden.
(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/ingenieros/clapeyron.htm)
Rudolf Julius Emmanuel Clausius,
físico alemán. Se doctoró en 1848 por
la Universidad de Halle. Fue profesor
de física en la Escuela Real de
Artillería e Ingeniería de Berlín y en
las universidades de Zurich (1855-
1867), Wurzburg y Bonn.
Termodinámica I
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Fue uno de los fundadores de la termodinámica. En 1850 enunció el
segundo principio de la termodinámica como la imposibilidad de
flujo espontáneo de calor de un cuerpo frío a otro de caliente, sin la
aplicación de un trabajo externo.
En 1865 introdujo el término entropía, definido como la capacidad del
calor para desarrollar trabajo, y demostró que la entropía del sistema se
incrementa en un proceso irreversible. Llevó a cabo así mismo
investigaciones sobre la teoría cinética de los gases y los fenómenos
electroquímicos.
(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/fisicos/clausius.htm).
William Lord Kelvin of
Largs, catedrático de fisica,
trabajó, a partir de 1846, en
Glasgow dedicándose en
especial a la investigación en
los campos de la
termodinámica y de la
electricidad. Gracias a
consideraciones de carácter
teórico logró formular la teoría de la «muerte entrópica» a - 273,15
°C, es decir, establecer el punto correspondiente a la temperatura del
cero absoluto.
Además, estableció en el año 1848 una escala de temperatura que
dividida de forma similar a la escala Celsio o centígrada, considera
como punto cero el correspondiente al cero absoluto. La unidad
empleada por él era el grado Kelvin (que en la actualidad se
simboliza mediante K).
En colaboración con James Prescott Joule, Kelvin descubrió en 1853
el «efecto de estrangulación» y, en 1856, el efecto Thomson
termoeléctrico, que permite expresar la generación de calor en los
conductores por los que circula la corriente eléctrica.
Con independencia de Rudolf Clausius, descubrió el segundo
principio de la termodinámica.
En el campo de la electrotecnia, Kelvin se distinguió por el empleo
de nuevos procedimientos de medida y nuevos tipos de instrumentos,
por las mejoras introducidas en telegrafia por cable y por el tendido
del primer cable submarino funcional a través del Atlántico Norte.
Efecto Thompson.: El paso de una corriente eléctrica en un conductor
filiforme homogéneo, pero cuyos diferentes puntos son mantenidos a
temperaturas distintas, produce una transformación de la energía eléctrica
en energía térmica.
(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/fisicos/kelvin.htm)
John Mac Quorn Ranking, ingeniero y físico británico, nacido en
Edimburgo, contribuyó a dar una orientación moderna a la técnica de las
construcciones y a la ingeniería mecánica, sistematizando sobre bases
racionales las muchas nociones y hábitos de trabajo que habían ido
evolucionando con la práctica.
Termodinámica I
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Desde 1840 se dedicó al estudio de las
leyes de la termodinámica; en el Manual
of the Steam Engine (1859) desarrolló
analíticamente el complejo de las
transformaciones del vapor en las
máquinas térmicas, y estableció el ciclo
termodinámico característico (ciclo de
Rankine). Defensor convencido de la
«energía», desempeñó un importante
papel en los debates teóricos de la física de la segunda mitad del siglo
XIX. En un escrito de 1855, Outlines of the Science of Energetics
(Esbozos para una ciencia de la energía), propuso asumir los principios de
la termodinámica para comprender los fenómenos físicos.
(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/fisicos/rankine.htm)
Johannes Diderik Van der Waals,
físico holandés, nacido en Leiden.
Profesor de las universidades de La
Haya (1877) y Amsterdam (1908), es
conocido por la ecuación del estado de
los gases reales (ecuación de Van der
Waals) que permite una mayor
aproximación a la realidad física que la
ecuación de los gases ideales, al tener
en cuenta las fuerzas de interacción existentes entre las moléculas, y
le supuso la concesión, en 1910, del Premio Nóbel de Física.
(P + a/V2) (V-b) = RT
Si a = b = 0, queda: PV = RT
Desarrolló, además, investigaciones sobre la disociación electrolítica,
sobre la teoría termodinámica de la capilaridad y sobre estática de fluidos.
Estudió así mismo las fuerzas de atracción de naturaleza electrostática
(fuerzas de Van der Waals) ejercidas entre las moléculas constitutivas
de la materia, que tienen su origen en la distribución de cargas positivas y
negativas en la molécula.
(http://es.geocities.com/fisicas/cientificos/fisicos/van_der_waals.htm)
Termodinámica I
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Introducción al estudio de la termodinámica.
Lo que se desarrolla a lo largo del curso es la ingeniería
termodinámica, la cual es una disciplina física de segunda etapa. Se
apoya, por un lado, en la termodinámica pura, que es un primer
entender y una primera experimentación física de la realidad, y, por
otro, pretende encaminarse hacia las disciplinas tecnológicas de
tercera etapa que tratan de la ingeniería de base y de desarrollo de
sistemas termodinámicos concretos y específicos.
Ingeniería es el arte de concebir y realizar, desde el hombre, un
proyecto encaminado hacia una transformación útil, coherente y
armónica de su entorno, con la finalidad de producir un mayor
servicio a toda la comunidad humana. Es en este pensar y hacer que
surge la ingeniería termodinámica como una parte de la actividad de
los ingenieros que se ocupa de prever, justificar analíticamente,
elegir, innovar, diseñar, implantar y mantener las instalaciones de los
sistemas termodinámicos.
El objeto de la termodinámica es encontrar entre las coordenadas
termodinámicas (propiedades termodinámicas) relaciones generales
coherentes con sus principios básicos. Un sistema que puede
describirse mediante coordenadas termodinámicas se denomina
sistema termodinámico. Las magnitudes macroscópicas que están
relacionadas con el estado interno de un sistema se denominan
coordenadas termodinámicas, tales coordenadas se utilizan para
determinar la energía interna de un sistema.
- Sistema, Dimensiones y Unidades. En termodinámica, como en la física en general, el comprender un
fenómeno implica observarlo; para esto es necesario delimitar la
región a observar. Los límites de esta región pueden ser reales o
imaginarios. A esta región le llamamos sistema, en nuestro caso,
sistema termodinámico. Siendo más detallista, un sistema
termodinámico se define como
cualquier cantidad de materia o
cualquier región del espacio a
la que dirigiremos nuestra
atención para propósitos de
análisis. La cantidad de materia
o región del espacio debe estar
dentro de una frontera
específica. Esta frontera puede
ser deformable o rígida; puede
ser, incluso, imaginaria. Todo
aquello que está fuera de la
frontera de un sistema se le
Unidad
I
Arreglo cilindro – pistón, ejemplo de sistema cerrado
Termodinámica I
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llama medio ambiente y a la parte de este que puede ser modificado
por el sistema se designa como entorno (o alrededores inmediatos).
Se pueden distinguir dos tipos de sistemas: los sistemas cerrados y
los volúmenes de control (sistema abierto). Cuando hablamos de
sistema cerrado, nos referimos a una cantidad fija de masa; y cuando
hablamos de volúmenes de control nos referimos a regiones del
espacio que pueden ser atravesadas por flujos de masa. A lo que
observamos de un sistema le
llamamos sus propiedades, las
cuales pueden ser el volumen, la
presión, la densidad, la
composición, la textura, el color,
masa, conductividad, la
temperatura, la viscosidad, la
tensión superficial, el calor
específico, etc. Estas propiedades
se observan con el objeto de
compararlas entre ellas mismas en otro instante, en el mismo sistema
o con propiedades similares de otros sistemas.
Cada propiedad tiene las mismas dimensiones (tipos de unidades o
cantidades básicas). Las cantidades físicas, las dividimos en básicas y
derivadas, donde las básicas son las mínimas necesarias para
describir completamente el mundo físico y las derivadas son
combinaciones matemáticas (definición operacional) de las básicas.
El número preciso de las básicas es siete (ver tabla), todas las demás
se definen a través de estas.
- Sistema internacional. En el sistema internacional (SI), la unidad básica para la longitud es
el metro (m), para el tiempo es el segundo (s), para la masa es el
kilogramo, para la cantidad de sustancia es el mol (mol).
Un mol de una sustancia es igual a la cantidad de sustancia de un
sistema que contiene tantos elementos estructurales ( átomos,
moléculas, iones, electrones y otras partículas o grupos especificados
de partículas ) como átomos contiene una masa de 0.012 kg de
carbono 12.
Cantidades y unidades básicas del SI
Masa kilogramo kg El kilogramo equivale a la masa del
kilogramo patrón internacional. Longitud metro m El metro equivale a 1650763.73 veces la
longitud de onda de la radiación emitida por los átomos del nucleido 86Kr, en la transición entre el estado 5d5 y el estado 2p10, propagándose en el vacío.
Tiempo segundo s El segundo equivale a 9192631770 veces el
período de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles de la estructura hiperfina del estado fundamental de los átomos de nucléido 133Cs.
Aire acondicionado de ventana, ejemplo
de sistema abierto.
Termodinámica I
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Corriente eléctrica
amperio A
El amperio equivale a la intensidad de una corriente eléctrica constante en el tiempo que, al circular en el vacío por dos conductores paralelos situados a un metro de distancia, rectilíneos e infinitos, de sección circular y despreciable, da lugar a una fuerza de atracción mutua entre los conductores de 2 x 10-7 neutronios por metro.
Intensidad luminosa
candela cd
La candela es la intensidad de luz que emite 1/600000 metros cuadrados de la superficie de un cuerpo negro a una temperatura correspondiente a la solidificación del platino a una presión de 101325 neutronios por metro cuadrado, y perpendicular a su superficie.
Cantidad de sustancia
mol mol
El mol equivale a la cantidad de materia de un sistema constituido por tantas partículas como átomos contiene 12/1000 kilogramos de nucleido del carbono 12C.
Temperatura termodinámica
kelvin K
El kelvin equivale a la 273.16-ava parte de la temperatura termodinámica del punto triple del agua (aprox. 0.01 ºC)
Unidades suplementarias del SI Ángulo plano radian rad Ángulo sólido estereoradian sd
Unidades derivadas Fuerza Newton kg m
/s2=J/m�
N
Energía Julio kg m2/s2=N m�
J
Potencia Watio kg m2/s3=J/s�
W
Por ejemplo, la velocidad es una relación entre una longitud y un
intervalo de tiempo, se define a través de su definición operacional,
V = longitud / tiempo, por tanto la velocidad es una cantidad
derivada, con dimensiones L / T.
La densidad se define como una relación entre masa y volumen,
donde el volumen es una relación entre tres longitudes, ρ = masa/
volumen, con dimensiones M / L3.
- Propiedades Termodinámicas. Masa, Volumen, Presión, Energía. La masa de un sistema es una medida de la cantidad de materia que
hay en el mismo y es directamente proporcional al número de
moléculas presentes en el sistema (la constante de proporcionalidad
es el peso molecular dividido por el número de Avogadro).
El volumen es una medida del tamaño físico del sistema y se define
por la porción de espacio que ocupa el sistema.
Termodinámica I
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Estamos familiarizados con el término energía mecánica, que tiene
que ver con la posición y rapidez de un cuerpo. Hay que observar que
un cuerpo en reposo, con un marco de referencia adecuado, tiene una
energía mecánica constante e igual a cero. Esto no quiere decir que el
cuerpo no tiene energía, ya que basados en un punto de vista
microscópico, podemos decir que los componentes del cuerpo
(moléculas) si tienen movimiento y por tanto energía asociada a ellas.
Las energías que podemos asociarle a estos componentes son energía
de traslación, energía de
rotación, energía de
vibración y las
contribuciones nucleares y
electrónicas, las cuales solo
mencionaremos ya que para
nuestro curso las
consideraremos constantes y
por tanto no participativas.
La sumatoria de estos tipos
de energía es igual a la
energía interna del sistema,
por tanto, la energía total del
sistema es la suma de la
energía mecánica (externa)
con la energía interna.
UEE m +=
Si un sistema homogéneo se divide en dos partes, la masa de la
totalidad del sistema es igual a la suma de la masa de las dos partes.
El volumen del todo es también igual a la suma de los volúmenes de
las partes. Por otra parte, la temperatura del todo no es igual a la
suma de las temperaturas de las partes. De hecho, la temperatura,
presión y densidad del todo son iguales que los de las partes. Esto
nos lleva a distinguir entre propiedades extensivas e intensivas. Si el
valor de una propiedad de un sistema es igual a la suma de los
valores de esa propiedad en cada parte del sistema, la propiedad es
una propiedad extensiva (la masa, el volumen, la energía, la entalpía,
la entropía, etc. son ejemplos de estas). En contraste, una propiedad
intensiva es aquella que tiene en cualquier parte de un sistema
homogéneo el mismo valor que en la totalidad del sistema.
Si el valor de una propiedad extensiva se divide por la masa del
sistema, la propiedad resultante es intensiva y se conoce como
propiedad específica. Una de estas propiedades es el volumen
específico que se define como v = V / m, el volumen es una
propiedad extensiva, pero el volumen específico es una propiedad
intensiva.
- Procesos Termodinámicos. Equilibrio Térmico, Estados de Equilibrio. En este punto es conveniente recordar el concepto de equilibrio
mecánico. Todo sistema mecánico tiende a dirigirse a posiciones de
equilibrio estable, de forma que los sistemas experimentan una fuerza
resultante en dirección del punto de energía potencial mínima (pozo
m
Termodinámica I
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de potencial) siendo cero la fuerza si el sistema está en esa posición
(punto de equilibrio estable). En general, los sistemas no tienen un
único punto de equilibrio
estable, pueden tener
varios y si la fuerza es
suficiente, estos pueden
ser sacados de un punto de
equilibrio y movido a otro.
En mecánica, cuando
hablamos de cambio de
posición de un sistema,
nos estamos refiriendo a
un desplazamiento; en
general, a un cambio de
coordenadas (X, Y, Z). Dependiendo de cómo sea ese cambio, afecta
a otras propiedades mecánicas como la velocidad, aceleración,
cantidad de movimiento, energía cinética, energía potencial, etc. En
forma similar, termodinámicamente, un sistema puede sufrir un
“desplazamiento” interno. Sus “coordenadas” internas pueden
cambiar desde una “posición” inicial hasta una “posición” final. A
estas “posiciones” termodinámicas del sistema le llamamos estados,
y a los “desplazamientos” termodinámicos le llamamos procesos.
Estos procesos pueden cambiar los valores de otras propiedades
termodinámicas como la entalpía, la entropía, la energía interna, etc.
Cuando hablamos de estado de un sistema, nos referimos a valores
determinados de sus propiedades, de forma que el sistema está en
algún punto de equilibrio y por tanto el valor de cada una de las
propiedades es válida para todo el sistema; o sea, el valor de la
propiedad es único para el sistema cuando este está en equilibrio y,
por consiguiente, en un estado determinado.
Sabemos que puede darse una descripción macroscópica (definir el
estado) de una mezcla gaseosa especificando magnitudes tales como
la composición, la masa, la presión y el volumen. La experiencia
demuestra que, para una composición dada y una masa constante, son
posibles muchos valores distintos de la presión y el volumen. Si se
mantiene constante la presión, el volumen puede variar dentro de un
amplio intervalo de valores, y viceversa. Dicho de otro modo, la
presión y el volumen son coordenadas independientes.
Análogamente, la experiencia demuestra que para un alambre de
masa constante, la tensión y la longitud son coordenadas
independientes. Por el contrario, hay sistemas compuestos, formados
por un cierto número de partes homogéneas, que precisan la
especificación de dos coordenadas independientes por cada parte
homogénea.
El estado de un sistema en el que X y Y (X y Y son dos propiedades
cualquiera de un sistema) tienen valores definidos, que permanecen
constantes mientras no se modifican las condiciones externas, se dice
que es un estado de equilibrio. La experiencia demuestra que la
existencia de un estado de equilibrio en un sistema depende de la
proximidad de otros sistemas y de la naturaleza de la pared de
separación entre ellos. Las paredes pueden ser adiabáticas o
diatérmanas. Si la pared es adiabática, un estado YA, XA del sistema
Termodinámica I
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A puede coexistir en equilibrio con un estado YB, XB del sistema B
para cualesquiera valores posibles de las cuatro magnitudes, siempre
que la pared resista los esfuerzos provocados por la diferencia entre
ambos conjuntos de coordenadas. Si los dos sistemas están separados
por una pared diatérmana, los valores de YA, XA e YB, XB cambiarán
espontáneamente hasta que se alcance un estado de equilibrio del
conjunto. Entonces se dice que ambos sistemas se encuentran en
equilibrio térmico entre sí. El equilibrio térmico es el estado
alcanzado por dos (o más)
sistemas, caracterizado
por valores particulares de
las coordenadas de los
sistemas después de haber
estado en comunicación
entre sí a través de una
pared diatérmana.
- Ley Cero de la Termodinámica. Concepto de Temperatura. Imaginemos dos sistemas A y B separados entre sí por una pared
adiabática, pero cada uno de ellos en contacto a través de una pared
diatérmana con un tercer sistema C, estando todo el conjunto rodeado
por una pared adiabática. La experiencia demuestra que ambos
sistemas alcanzarán el equilibrio térmico con el tercero y que no
tendrá lugar cambio alguno si posteriormente, se sustituye la pared
adiabática entre A y B por una pared diatérmana. Dos sistemas en
equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio térmico entre sí.
A este postulado se le llama principio cero de la termodinámica.
Una isoterma es el lugar de todos los puntos que representan estados
en los cuales un sistema se halla en equilibrio térmico con un estado
de otro sistema. Puede decirse que los sistemas en estos estados,
Termodinámica I
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poseen una propiedad que asegura que se encuentran en equilibrio
térmico entre sí. Denominamos temperatura a esta propiedad. Para
fijar una escala de temperatura empírica, seleccionamos como patrón
un cierto sistema de coordenadas Y y X, al cual denominamos
termómetro, y adoptamos un conjunto de reglas para asignar un valor
numérico a la temperatura asociada a cada una de sus isotermas. A la
temperatura de cualquier otro sistema en equilibrio térmico con el
termómetro le asignamos el mismo valor temperatura de este.
Sea X una cualquiera de las propiedades termodinámicas de un
sistema a través de la cual decidimos, arbitrariamente, definir una
escala de temperatura de forma que esta sea directamente
proporcional a X. De este modo, la temperatura común al termómetro
y a todos los sistemas en equilibrio térmico con él viene dada por
( ) .)(, cteYXaX ==θ
Debe observarse que cuando esta relación arbitraria se aplica a
diferentes tipos de termómetros se obtienen diferentes escalas de
temperatura, e incluso, cuando se aplica a diferentes sistemas del
mismo tipo. En forma análoga, se pudo escoger a Y como la
propiedad termométrica y dejar a X constante. En general, la
temperatura es función de dos propiedades, q = f(X, Y), pero si
mantenemos Y constante, la función sólo depende de X, q = g(X).
Como lo que estamos haciendo es definiendo una escala para medir
temperaturas, y, por tanto, se escoge la relación más sencilla. Con
esta relación podemos medir indirectamente la temperatura a través
de la medición de X.
Cuando no existe desequilibrio de fuerzas en el interior de un sistema
e igualmente no lo hay entre el sistema y su entorno, se dice que el
sistema está en estado de equilibrio mecánico. Cuando no se
satisfacen estas condiciones, ya sea el sistema solo o el sistema y su
entorno, experimentarán un cambio de estado que sólo cesará cuando
se haya restablecido el equilibrio mecánico. Si un sistema en
equilibrio mecánico no tiende a experimentar un cambio espontáneo
de estructura interna, tal como una reacción química o una
transferencia de materia de una parte del sistema a otra, se dice que
se halla en estado de equilibrio químico.
Existe equilibrio térmico cuando no hay cambio espontáneo en las
coordenadas de un sistema en equilibrio mecánico y químico si se le
separa de su entorno mediante una pared diatérmana. Cuando se
cumplen las condiciones para los tres tipos de equilibrio, se dice que
el sistema se halla en estado de equilibrio termodinámico. Los
estados de equilibrio termodinámico pueden describirse en términos
de coordenadas macroscópicas sin intervención del tiempo; es decir,
en función de coordenadas termodinámicas. Si no se cumplen las
condiciones de equilibrio mecánico y térmico, los estados por los
cuales pasa el sistema no pueden describirse en función de
coordenadas termodinámicas referidas al sistema en conjunto.