1Unidad 1

Conceptos bsicos

Introduccin

La ciencia de la termodinmica naci en el siglo XIX como una necesidad dedescribir el funcionamiento de las mquinas de vapor y de establecer lmites a loque stas podan hacer.

Es as como el nombre mismo significa potencia generada por el calor, susaplicaciones iniciales fueron las mquinas trmicas, de las cuales la mquina devapor es un ejemplo.

Sin embargo, los principios observados como vlidos para las mquinas pronto segeneralizaron en postulados, los cuales se conocen ahora como la primera y segundaleyes de la termodinmica.

Estas leyes no tienen demostracin en el sentido matemtico; su validez sesustenta en la ausencia de experiencia contraria a lo establecido por ellas. As, latermodinmica forma parte, junto con la mecnica y el electromagnetismo, delconjunto de leyes bsicas de la fsica.

A travs de un proceso de deduccin matemtica, estas leyes conducen a unconjunto de ecuaciones que encuentran aplicacin en todas las ramas de la ciencia yla ingeniera.

2 La segunda ley posibilita al ingeniero medir la degradacin , o cambio de calidad,de la energa en trminos cuantitativos. La segunda ley tambin introduce unaimportante propiedad termodinmica, la entropa.

La primera ley de la termodinmica conduce al concepto de energa y al principio de conservacin de la energa.

Cuando se transfiere energa de una regin a otra, o cambia su forma dentro de una regin del espacio, la cantidad total de energa permanece constante.

La segunda ley impone restricciones a la transformacin de algunas formas de energa en otras ms tiles . Dice que energas son buenas para obtener trabajo de ellas y cuales no.

Introduccin

Objeto de la termodinmica

El estudio de las transformaciones energticas, y

El estudio de las relaciones entre las propiedades fsicas de las sustancias afectadas por dichas transformaciones.

3Macroscpico No implica hiptesis especiales concernientes a la estructura de la materia.

Para una descripcin macroscpica son necesarias pocas variables.

Las variables son sugeridas mas o menos por nuestros sentidos (P, T , C, V ). Las variables generalmente se pueden medir directamente.

Microscpico Se hacen hiptesis acerca de la estructura de la materia. ( por ej. : molculas)

Han de especificarse muchas magnitudes. ( estados de energa, velocidad y componentes , masa, enlaces , interacciones)

Las magnitudes especificadas no son sugeridas por nuestros sentidos.

Estas magnitudes no se pueden medir directamente.

Criterios macro y microscpico

La termodinmica clsica es una ciencia macroscpica.Los enunciados fundamentales, o leyes, se refieren a las propiedadesmacroscpicas de la materia.

Por ej.: el contenido de un cilindro de un motor a explosin antes y despus de la ignicin

Por ej. :se considera al sistema como un conjunto enorme de partculas cada una con un dado estado de energa E1, E2, E3,,En

Sistema termodinmico y Volumen de Control

Un sistema termodinmico es una regin del espacio tridimensional o una cantidad de materia, delimitada por una superficie arbitraria.

La frontera puede ser real o imaginaria, puede hallarse en reposo o en movimiento, y puede variar de tamao o de forma.

La regin del espacio fsico que queda fuera de las fronteras elegidasarbitrariamente recibe el nombre de entorno o medio ambiente.

Las fronteras se eligen con fines de clculo y no tienen efecto ni significadoverdaderos en los procesos fsicos reales.

La regin del espacio que contiene al sistema se denomina volumen de control, y su frontera se denomina superficie de control.

4 Cualquier anlisis termodinmico comienza por la eleccin del sistema, su frontera y su entorno o medio ambiente.

Un sistema abierto es aquel en el que tanto la masa como la energa pueden atravesar las fronteras elegidas.

Un sistema cerrado es aquel que contiene una masa constante de materia ,permitiendo el intercambio de la energa a travs de sus fronteras.

Un sistema se conoce como aislado cuando ni la masa ni la energa atraviesan sus fronteras

Sistema termodinmico y Volumen de Control

9

Liquido o gas

Frontera del

sistema

aislacin

Sistema termodinmico y Volumen de Control

5Propiedad

En otros casos, se define una propiedad como combinacin matemtica de otraspropiedades. por ej. PT, , PV tambin son propiedades.

El valor de una propiedad es nico y est fijado por la condicin del sistema en elmomento de la medida. Su valor es independiente de la historia del sistema.

Un tercer tipo de propiedad incluye a aquellas definidas mediante las leyes de laTermodinmica. ( por ej. : energa interna [U], entropa [S])

Una propiedad es cualquier caracterstica observable de un sistema. Sirven paraexpresar y describir el comportamiento del sistema

Con frecuencia, el valor de una propiedad es directamente mensurable. Por ej.:presin (P), la temperatura (T), la masa (m), el volumen (V), la densidad (), laconductividad elctrica (k), la velocidad del sonido (r) y el coeficiente de dilatacintrmica ()

Propiedades

Sub-sistema 1E1, V1, T1 ,P1, C1

Sub-sistema 2E2, V2, T2 ,P2, C2

Frontera del sistema

Frontera entre subsistemas

E sistema = E1+E2V sistema = V1+V2T sistema = T1 = T2P sistema = P1 = P2C sistema = C1 = C2

Considere un sistema dividido arbitrariamente en un conjunto de subsistemas.

Una propiedad es extensiva si su valor para todo el sistema es la suma de losvalores de los distintos subsistemas o partes.

SistemaE, V, T ,P,C

Frontera del sistema E sistema = EV sistema = VT sistema = TP sistema = PC sistema = C

Las propiedades intensivas tienen valores independientes del tamao o de la cantidad de masa del sistema y tienen el mismo valor en cualquier parte de un sistema en equilibrio.

Podemos clasificarlas en : extensivas ,intensivas y especificas

6 Cuando una propiedad extensiva Y del sistema global se divide por la masa o elvolumen del mismo, la propiedad resultante se denomina propiedad especfica.

Son ejemplos de estas propiedades

Ee

m

Vv

m

m

V

Una propiedad especfica es una propiedad intensiva.

El volumen especfico

La energa especfica

La densidad

Propiedades

Estado y propiedades de un Sistema

El estado de un sistema es la condicin del sistema descrita por el valor de suspropiedades, y se puede especificar o identificar nicamente mediante los valores deunas pocas de sus propiedades.

Las propiedades slo estn definidas cuando un sistema se encuentra en equilibrio.

Es necesario contar con algunos medios para describir el comportamiento del sistema.En otras palabras, cmo se llamarn los cambios que tienen lugar en el sistema?, yqu va a permitir la descripcin cuantitativa de esos cambios?

Por este motivo, el estudio de la termodinmica clsica hace nfasis en losestados de equilibrio y en los cambios desde un estado de equilibrio hasta otro.

7Estado

El estado de un sistema lo definen sus propiedades.

Estado 1P1 =5kgf/cm2V1=20LT1= 25Cm1= 10kg

Estado 2P2 =8kgf/cm2V2=20LT2= 40Cm2= 10kg

Sin embargo no se requiere especificar todas sus propiedades para fijar un estado, una vez que se conoce cierto numero de propiedades las dems se pueden determinar.

Si un sistema tiene los mismos valores para todas sus propiedades en dos instantesdistintos, el sistema esta en estados idnticos en esos dos instantes.

Aceptando que ese conjunto de valores defina el estado del sistema, cuando sepermite que la masa o la energa cruce las fronteras del sistema, algunos de losvalores medidos van a cambiar y el sistema se va a encontrar en un nuevo estado.

Proceso

La trayectoria es la serie de estados de equilibrio a travs de los cuales pasa el sistema durante el proceso, es decir el camino recorrido.

La descripcin completa de un proceso consiste tpicamente en la especificacin delos estados de equilibrio inicial y final , el camino (si se puede identificar) y lasinteracciones que tienen lugar a travs de las fronteras durante el proceso.

El proceso es cualquier cambio que experimente el sistema de un estado de equilibrio a otro.

Procesos comunes: Isotrmico (T=cte) , Isobrico (P=cte), Isomtrico (V=cte), Isoentalpico (H=cte), Isentrpico (S =Cte), Adiabtico (Q=0)

a

b

8proceso

Proceso cuasi esttico o cuasi equilibrio: Es aquel que ocurre a travs de sucesivosestados de equilibrio, (realmente no existe es ideal) de forma que en cualquier instanteest infinitesimalmente cercano al equilibrio.

Son procesos que ocurren suficientemente lentos que permiten al sistema realizar unajuste interno de manera que las propiedades en una parte del sistema no cambien msrpido que en otras partes. Supone ausencia de friccin, propiedades uniformes entodo momento

Un proceso cclico, (o ciclo) es un proceso en el que los estados extremos (inicial y final ) son idnticos.

1z

y

1

2

T

V

ab c

Trayectorias

1

2

V

P Trayectoriasa

bc

Proceso

dx 0= El valor de la integral es independiente de la trayectoria que se siga sobre

coordenadas y-z al ir de (y1,z1) a (y2,z2).

2

2 11dx x x=

2 2 2

1 1 1

x f ( y , z )x f ( y ,z )

=

=

Si x es una funcin de dos variables independientes y, z, expresadas por la notacin.x =f(y, z)

La propiedad x se conoce como funcin de punto porque en cada punto del plano decoordenadas y, z existe un valor discreto de x.

La diferencial dx de una funcin de punto es una diferencial exacta.

Todas las propiedades son funciones de estado, dado que el cambio del valor de una propiedad slo depende de los valores de la propiedad en los estados inicial y final, y no del camino del proceso.

Las magnitudes cuyos valores dependen del camino del proceso se llaman funciones de trayectoria.

Funciones de punto y de trayectoria

9 Su valor se determina por la suma de los valores de G para cualquier cantidad de segmentos en los que se pueda dividirse la trayectoria.

La diferencial de esta funcin es una diferencial inexacta G (una cantidad muy pequea de G)

Si G es una funcin de trayectoria es una cantidad que depende de la trayectoriaque sigue al ir del estado 1 (y1, z1) al estado 2 (y2, z2) y NO existe relacin de laforma G =f(y,z) porque aunque se especifique un valor de y", y un valor de z nose determina el valor de G.

2

2 11dG G G

2

1 21G G

=

G1-2 es simplemente la suma de los valores de G a lo largo del camino elegido entre los estados 1 y 2.

Un camino distinto entre los estados 1 y 2 conducira a un valor de G1-2 distinto.

Advierta que la integracin de G no conduce a la notacin G, sino simplemente a G1-2

Funciones de punto y de trayectoria

W P.dV =

2

1W P dV=

dV V

P

Las propiedades como la presin (P), temperatura(T), entropa (S), entalpa (H) sonfunciones de punto y el trabajo (W) y calor (Q) son funciones de trayectoria

Todas las propiedades son funciones de punto, dado que el cambio del valor de unapropiedad slo depende de los valores de la propiedad en los estados inicial y final, yno del camino del proceso

Funciones de punto y de trayectoria

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Equilibrio termodinmico

Un sistema se encuentra en equilibrio termodinmico si no es capaz de experimentarun cambio finito, espontneo, hasta otro estado sin un cambio finito del estado de sumedio ambiente.

As, un sistema en equilibrio estable no puede cambiar su estado sin una interaccincon su medio ambiente.

El equilibrio termodinmico se da cuando simultneamente se cumplen los equilibrios:

Trmico: cuando la temperatura sea uniforme en todo el sistema. Mecnico : cuando hay igualdad de fuerzas (presiones) en todos los puntos. Fases : cuando no hay transferencia neta de una o ms especies qumicas de una fase

a otra en un sistema multifsico.

Qumico: cuando no hay tendencia neta a que tenga lugar ninguna reaccin qumica.

Densidad ()

V volumen 1v

m masa = =

m masa 1V volumen v

= =

w m g pesogV V volumen

= = Peso especifico ()

volumen especifico (v)

Algunas propiedades directamente observables

Tres propiedades intensivas, como a presin (P), el volumen especifico (v) y la temperatura (T) , que pueden medirse directamente

El volumen especifico (v) definido como el volumen por unidad de masa

11

Algunas propiedades directamente observables

Es la fuerza normal por unidad de rea ejercida por un fluido sobre unasuperficie.

FPA

=

P g z z = =

Para un fluido en equilibrio esttico la presin en un recipiente conliquido aumenta con la profundidad como resultado del peso del fluido.

PRESIN.

La presin se mide con manmetros, que indican una diferencia depresin al equilibrar una columna de fluido de longitud mensurablecontra la diferencia de presin.

En un fluido en reposo la presin es la misma en todas las direcciones.

La presin atmosfrica es la fuerza ejercida por el aire sobre los cuerpos en la superficie terrestre.

Patm= 101325 N/m2 = 101325 Pa = 101.3 kPa 1 bar = 14.6959 psia 14.7 psia

Presin absoluta: Se mide con respecto al vacio absoluto o cero absoluto, se midecon barmetros.

Presin manomtrica: Mide la presin con respecto a la atmosfera, se mide con manmetros.

Presin de vaco: Mide la presin por debajo de la atmosfrica, se mide con vacuometros.

abs atm mnp p p= +

1absp 1mnp

atmp

1p

2p

p 0=2absp

2vaciop

Algunas propiedades directamente observables

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No es fcil definirla exactamente. Es una propiedad intensiva que indica el nivel de energa es decir actividad molecular,

que tiene un cuerpo. Es la nica propiedad suficiente para determinar si dos cuerpos estn en equilibrio

trmico. Se mide observando el cambio de una propiedad con la temperatura de un cuerpo

patrn, se debe definir una escala de temperatura y poner los dos cuerpos encontacto.

Un termmetro es un cuerpo con una propiedad fcilmente mensurablemente que esfuncin de la temperatura

Para que el termmetro indique la temperatura de otro cuerpo, el termmetro y elotro cuerpo entre si un tiempo razonable y deben estar suficientemente aislados deotros cuerpos para que se llegue al equilibrio trmico entre si.

Algunas propiedades directamente observables

TEMPERATURA.

Una escala numrica de temperatura permite que se especifiquen cuantitativamente las temperaturas

ip sp p

iTsT

0T

Ts i

0s i

T TT T pP P

= +

Algunas propiedades directamente observables

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ip sp p

iTsT

0T

Ts i

0s i

T TT T pP P

= +

Termmetro de gas de volumen constante

Basado en la variacin de presin respecto a la temperatura de un volumen fijo de gas Los resultados son independientes del tipo de gas a presiones bajas la relacin ps/pi=1,3661

s

i

pp

s

i

pT 273,16 limp

=

p

Algunas propiedades directamente observables

K C R5T T 273,15 T9

= + =

K C F R

273

373100 212 672

273

0

0 460 0

49232

R F K9T T 459,67 T5

= + =

F CT 1,8T 32= +

Algunas propiedades directamente observables

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