TERMODINAMICA.pptx
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*CALOR Y TERMODINAMIC
A
Definiciones:Sistema: cualquier grupo de átomos, moléculas, partículas u objetos en estudio termodinámico. Por ejemplo el agua dentro de un envase, el cuerpo de un ser vivo o la atmósfera. Un esquema se muestra en la figura
Ambiente: todo lo que no pertenece al sistema, es lo que rodea al sistema, sus alrededores. Por ejemplo el exterior al envase donde está el agua, o el espacio que rodea a la atmósfera (puede ser todo el Universo). Entre el sistema y el ambiente puede haber intercambio de calor y de energía y se puede realizar trabajo
Sistema cerrado: sistema en el cual no entra ni sale masa, pero que puede intercambiar calor y energía con el ambiente.
Sistema abierto: sistema que puede tener variación de masa, como por ejemplo intercambio de gases o líquidos, o de alimentos en los seres vivos.
Sistema cerrado aislado: sistema en el cual no se produce ningún intercambio de calor o energía con el ambiente a través de sus fronteras.
CALOR
Es la transferencia de energía entre la materia como resultado de las diferencias en la temperatura.
T1 T2
T1 > T2
ENERGIA
Unidad del Calor Es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de 1 gramo de agua de 14,5 °C a 15,5 °C a la presión de 1 atmósfera (Presión normal).
1 kgm = 9,8 J
1 J = 107 erg
1 kgm = 9,8.107 erg
1 cal = 4,186 J
1 kcal = 1000 (10³) cal
1 BTU = 252 cal
Sistema de Medida
•Sistema Técnico•Sistema
Internacional (S.I.) •Sistema C.G.S.
Unidad de Medida
•Kilográmetro(Kgm)
•Joule (J)•Ergio (erg)
El trabajo que realizan las paletas se transforma en calor
1 cal = 4,186 joule
Formas de transformación del calor
Conducción Convección Radiación
Es típica en los sólidos.
Es típica de líquidos y gases.
Se presenta en todos los estados
físicos.Es la transferencia
de calor que tiene lugar por transmisión de Energía de unas
partículas a otras, sin
desplazamiento de éstas.
Es la transferencia de calor que tiene lugar mediante el
movimiento de las partículas de
un fluido. El transporte es efectuado por moléculas de
aire.
Es la transferencia de calor
mediante ondas electromagnéticas sin intervención de partículas que
lo transporte.
Efectos del Calor
Cambios progresivos ()
Absorben Q
Cambios regresivos ()
Desprenden Q
Solidificación
Fusión Vaporización
Licuefacción
Sublimación
Sublimación
Fusión Vaporización
Cambio de estado : Sólido a líquido
Cambio de estado : Líquido a gas
El calor absorbido por un cuerpo en la fusión es igual al calor cedido por éste en la solidificación.
El calor absorbido por un cuerpo en la vaporización es igual al calor cedido por éste en la condensación.
Punto de fusión: Temperatura en la que se produce la fusión (en el agua :0 ºC).
Punto de ebullición: Temperatura en la que se produce la ebullición (en el agua:100º C). Mientras se produce el cambio de estado, los puntos
de fusión y ebullición son cte.Calor latente de fusión:
Cantidad de calor por unidad de masa que ha de suministrarse a una sustancia a su temperatura de fusión para convertirla completamente en líquido
Calor latente de vaporización : Cantidad de calor por unidad de masa que ha de suministrarse a una sustancia a su temperatura de ebullición para convertirla completamente en gas.
TemperaturaSe define temperatura como la propiedad común a los cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico
Equilibrio térmico
Cuando dos cuerpos a distinta temperatura, se ponen en contacto, al cabo de cierto tiempo se acaban igualando sus temperaturas. Se dice que ha logrado el equilibrio térmico
Sea la temperatura del cuerpo caliente t 1, su masa m 1 y su calor específico c 1
Sea la temperatura del cuerpo frío t 2, su masa m 2 y su calor específico c 2
Sea t m la temperatura final de equilibrio m 1 · c 1 · (t 1 - t m) = m 2 · c 2 · (t m
- t 2)
Establecido por Anders Celsius en 1741
Utiliza dos temperaturas de referencia que se llaman puntos
fijos
Se divide el intervalo en 100 partes ( 1 ºC )
Escala Celsius (ºC)
Escala Fahrenheit (ºF)
• Utilizada en el mundo anglosajón y emplea los mismos puntos fijos que la escala centígrada pero los marca con
los números 32 (fusión) y 212 (ebullición), dividiendo el intervalo en
180 partes (1 ºF)
Escala Kelvin (ºK)Propuesta por Lord Kelvin en 1854. Es la llamada escala de temperaturas absolutas. Sitúa el 0ºK en la temperatura a la que las moléculas de un cuerpo, no poseen
Principios de la Calorimetría
Primer PrincipioLa cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un cuerpo
es proporcional a su masa.
Segundo Principio
La cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de un cuerpo desde un valor A hasta un valor B es igual a la cantidad de calor que el cuerpo cede cuando su temperatura desciende de B a A
A B
Q1
Q2
Calor y TrabajoCALOR
TRABAJO
¿De qué factores depende la cantidad de calor que puede transferirse a un cuerpo?
, ,T m c
Ecuación fundamental de la calorimetría
D Q = m c D T
Q... cantidad de calorm... masa del cuerpoc... calor específico del cuerpoΔt... variación de temperatura
La primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores, con signo negativo, más el calor hacia el sistema:
DU = UB - UA = - WA B + QA B
Esta ley es la ley de la conservación de la energía para la termodinámica.
Para cambios infinitesimales la primera ley es:
dU = -dW + dQ
Si la cantidad Q – W se mide para diferentes trayectorias, se encuentra que esta depende solo de los estados inicial y final.
Consecuencias de la 1a. ley
P
V
Trabajo = calor = área
Para un sistema aislado el cambio en la energía interna es cero.
Puesto que para un sistema aislado Q = W = 0, DU = 0.
En un proceso cíclico el cambio en la energía interna es cero.
En consecuencia el calor Q agregado al sistema es igual al trabajo W realizado.
Q = W, DU = 0
En un proceso cíclico el trabajo neto realizado por ciclo es igual al área encerrada por la trayectoria que representa el proceso sobre un diagrama PV.
Aplicaciones de la primera ley
vacío
Gas a Ti
membrana
Muro aislante
Un trabajo es adiabático si no entra o sale energía térmica del sistemas, es decir, si Q = 0. En tal caso:
DU = - W
Para la expansión libre adiabática
Q = 0 y W = 0, DU = 0
La temperatura de un gas ideal que sufre una expansión libre permanece constante.
Como el volumen del gas cambia, la energía interna debe ser independiente del volumen, por lo tanto
U ideal = U(T)
Tf = Ti membrana
Proceso isobáricoUn proceso a presión constante se denomina isobárico, el trabajo realizado es:
if
V
V
V
VVVPdVPPdVW
f
i
f
i
Para mantener la presión constante deberá haber flujo de calor, y por lo tanto, incremento en la energía interna (temperatura)
El flujo de calor en este caso es:
dQ = Cp dT
El subíndice indica que es capacidad calorífica a presión constante.
V Vf
P
P
Proceso isovolumétricoUn proceso a volumen constante se llama isovolumétrico (o isocórico), en tal proceso el trabajo es cero y entonces: DU = Q
W = 0
Para incrementar la presión deberá haber flujo de calor, y por lo tanto, incremento en la energía interna (temperatura)
El flujo de calor en este caso es:
dQ = CV dT
El subíndice indica que es capacidad calorífica a volumen constante.
P
Pi
VV
Proceso adiabáticoEn un proceso adiabático no hay flujo de calor entre el sistema y sus alrededores.
El trabajo efectuado es igual al negativo del cambio en la energía interna.
Se puede demostrar que la curva que describe esta transformación es
adiabáticas
isotermas
Energía interna La energía interna es toda la energía que pertenece a un sistema mientras está estacionario (es decir, no se traslada ni rota), incluida la energía nuclear, la energía química y la energía de deformación (como un resorte comprimido o estirado), así como energía térmica.
Energía TérmicaLa energía térmica es la parte de la energía interna que cambia cuando cambia la temperatura del sistema.
El término calor se utiliza para dar entender tanto energía térmica como transmisión de energía térmica.
Cuando cambia la temperatura de un sistema y en el proceso cambia la temperatura de un sistema vecino, decimos que ha habido flujo de calor que entra o sale del sistema.
La transferencia de energía térmica es producida por una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores, la cual puede o no cambiar la cantidad de energía térmica en el sistema.
El equivalente mecánico del calor
4.1858 J de energía mecánica elevaban la temperatura de 1 g de agua de 14.5ºC a 15.5ºC.
Éste valor se conoce como el equivalente mecánico del calor.
Capacidad Calorífica y calor específico
La capacidad calorífica, C, de una muestra particular de una sustancia se define como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de esa muestra en un grado centígrado.
Q = C DT
El calor específico c de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa.
TmQ
mC
c
El calor específico molar de una sustancia es la capacidad calorífica por mol.
Calor latente
Los cambios de sólido a líquido, de líquido a gas y los opuestos, se llaman cambios de fase.
La energía térmica necesaria para cambiar de fase una masa m de una sustancia pura es
Q = mL
Donde L es el calor latente (calor oculto) de la sustancia.
Existen dos tipos de calor latente:
Lf – calor latente de fusión
Lv – calor latente de vaporización
Algunos calores latentes
Sustancia Punto de fusión (°C)
Calor latente de fusión
(J/kg)
Punto de ebullición
Calor Latente de
vaporización
HelioNitrógenoOxígenoAlcohol etílico
AguaAzufrePlomoAluminioPlataOroCobre
-269.65-209.97-218.79
-1140.00119
327.3660
960.801063.00
1083
5.23x105
2.55x104
1.38x104
1.04x105
3.33x105
3.81x104
2.45x104
3.97x105
8.82x104
6.44x104
1.34x105
-268.93-195.81-182.97
78100.00444.6017502450219326601187
2.09x104
2.01x105
2.13x105
8.54x105
2.26x106
3.26x105
8.70x105
1.14x107
2.33x106
1.58x106
5.06x106
Gráfica de la temperatura contra la energía térmica añadida cuando 1 g inicialmente a –30°C se convierte en vapor a 120°C.
Hielo
Hielo + agua
Agua
Agua + vapor
Vapor
62.7 396.7 815.7 3076-30
0
50
100
T(°C)
AB
C
DE
Se calienta el hielo
Se funde el hielo
Se calienta el agua
Se evapora el agua
Se calienta el vapor
120
Parte A. Q1 = miciDT = (1x10–3)(2090)(30) = 62.7 JParte B. Q2 = mLf = (1x10–3)(3.33x105) = 333 J
Parte C. Q3 = mwcwDT = (1x10–3)(4.19x103)(100.0) = 419 J
Parte D. Q4 = mLv = (1x10–3)(2.26x106) = 2.26x103 J
Parte C. Q5 = mscsDT = (1x10–3)(2.01x103)(20.0) = 40.2 J
Total = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 3114.9 J
Diagrama p-V
Hipérbolas
T menor
Volumen
V
p
Pre
sión
p = nRT/V
pV = nRT
FIN………..