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Introduccion a la termodinamica
Prof. Jesus Hernandez TrujilloFac. Quımica, UNAM
31 de enero de 2017
Fisicoquımica
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→ La termodinamica es una rama de la Fisicoquımica
Fisicoquımica:
El estudio de los principios fısicos que gobiernan
las propiedades y el comportamiento de los sistemas
quımicos
Un sistema quımico puede estudiarse desde el punto de vista
microscopico
macroscopico
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La Fisicoquımica tiene cuatro areas principales:
Termodinamica: Investigacion fenomenologica de las propiedades de la
materia en terminos de parametros macroscopicos.
Quımica cuantica: Aplicacion de la mecanica cuantica al estudio de la
estructura atomica, molecular y la espectroscopıa.
Mecanica estadıstica: Establece el vınculo entre las propiedades
microscopicas y macroscopicas de la materia.
Cinetica: Estudia la rapidez de los procesos quımicos.
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Química cuántica
Mecánica estadística Cinética
Termodinámica
Termodinamica clasica
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Otra definicion:
La termodinamica es el area de la Quımica (y de la
Fısica) que estudia las relaciones y el intercambio en-
tre las diferentes formas de energıa en un sistema ma-
croscopico.
Dos caracterısticas de la termodinamica:
Concierne al comportamiento macroscopico de la
materia.
Estudia la energıa en todas sus formas, en particu-
lar como calor.
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Maquina de vapor de James Watt (siglo XIX):
Conversion de calor en trabajo
Revolucion industrial
Termodinamica
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Algunas aplicaciones de la termodinamica:
Ingenierıa
Quımica
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Objeto de estudio:
Una porcion macroscopica de material (solido, lıquido, gas) compuesta por
un gran numero de atomos o moleculas interactuantes.
Muchos procesos involucran intercambio de energıa entre una porcion
macroscopica de material y sus alrededores.
El analisis puede realizarse sin referencia a la estructura microscopica de
la materia.
La Termodinamica es una ciencia empırica (fenomenologica, experimental)
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Los conceptos de la termodinamica son independientes de una teorıa
molecular, de la estructura de la materia.
Sin embargo, un modelo microscopico puede ser util
para entender el comportamiento macroscopico.
Por ejemplo, en la ecuacion de van der Waals:
p =RT
v − b−
a
v2
interaccion
diametro
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Sistema termodinamico: Es la porcion macroscopica del sistema bajo
estudio
Ejemplos:
Una celda electroquımica:
Una fibra elastica:
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Alrededores: La parte del universo que interactua con el sistema.
Ejemplos:
1. Un bano de agua en el que se sumerje un recipiente sellado que
contiene un gas.
2. El aire que rodea un material magnetico
Esquematicamente:ALREDEDORES
SISTEMA
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Frontera: El sistema se separa de los alrededores mediante fronteras
(paredes).
Hay varias clasificaciones:
Fronteras
{
Moviles: permiten realizar trabajo
Rıgidas: no sufren desplazamiento neto
Fronteras
{
Permeables: permiten el paso de materia
Impermeables: no lo permiten
Fronteras
{
Diatermicas: permiten intercambio de calor (conductoras)
Adiabaticas: aislantes
Alternativamente:
Pared aislante: No permite interaccion del
sistema con los alrededores
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Clasificacion de sistemas termodinamicos:
Se basa en la manera en que un sistema interactua con los alrededores
Sistema:
abierto Tiene transferencia de materia con los alrededores
cerrado No tiene transferencia de materia con los alrededores
Sistema aislado: No interactua de ninguna manera con los alrededores
(paredes rıgidas, impermeables, adiabaticas)
→ En termodinamica se aplican diferentes expresiones (enunciados,
ecuaciones) a diferentes tipos de sistemas.
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materia energıa materia
energıa materia energıa
T1 T2 T1 T2
energıa
energıa
T1 > T2 T1 6= T2
¿Pared ? ¿Pared ?
abierto cerrado aislado
diatermica adiabatica
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Equilibrio:
Todo sistema aislado alcanza finalmente una condicion en
que sus propiedades no cambian con el tiempo. Esta es la
condicion de equilibrio
→ Estudiaremos sistemas en equilibrio
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Un sistema aislado se encuentra en equilibrio cuando:
1. Sus propiedades son constantes con el tiempo
2. Al eliminar el contacto del sistema con los alrededores sus propiedades
no cambian
→ Si solo se cumple 1, el sistema se encuentra en estado estacionario
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Tipos de equilibrio:
(a) Mecanico: La fuerza neta que actua sobre el sistema es cero (no hay
turbulencia o aceleracion).
(b) Quımico: No hay reacciones quımicas netas o transferencia neta de masa
de una parte del sistema a otro.
(c) Termico: No hay cambio en las propiedades del sistema cuando esta en
contacto con los alrededores.
Equilibrio termodinamico: Se cumplen (a) – (c).
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Variables (propiedades) termodinamicas:
Son aquellas que permiten caracterizar un sistema.
Ejemplos de propiedades mecanicas:
Presion y volumen de un fluido.
Esfuerzo y deformacion de un solido.
Volumen de una mezcla.
Ejemplo de propiedad no mecanica:
temperatura (nueva variable).
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Presion: Es la magnitud de la componente perpendicular de la fuerza
ejercida por unidad de area
P ≡F
A
Unidades:
nombre sımbolo valor
pascal 1 Pa 1 Nm−2
bar 1 bar 105 Pa
atmosfera 1 atm 1.013 × 105 Pa
torr 1 Torr 1.013 × 105 / 760 Pa = 133.32 Pa
milımetro de Hg 1 mmHg 133.32 Pa
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Presion atmosferica: La que ejerce la atmosfera sobre los objetos
inmersos en ella.
Manometro: Instrumento para medir la presion.
Presion manometrica: La diferencia de presion de un fluido y la presion
atmosferica.
Por lo tanto:
presion manometrica
+
presion atmosferica
presion absoluta
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Presion ejercida por una columna de fluido de altura
h, densidad ρ y area de seccion transversal A:
Dado que
ρ =m
V=
m
Ah, m = ρAh
y
F = W = mg
donde W es el peso de la columna y g la aceleracion
de la gravedad,
entonces
p =F
A=
mg
A=
(
ρA\ h)
g
A\
= ρgh
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Ejemplo:
Para medir la presion en un tanque:
FLUIDO
p p
MANOMETRO
h
p p=BA
A B
Balance de fuerzas:
ApA = Apatm + W
W = mg = ρV g = ρAhg
pA = patm + ρgh
Nota que el area de la seccion transver-
sal no tiene efecto
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D. Kondepudi,
Introduction to modern thermodynamics.
John Wiley & Sons, 2008.
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Las variables termodinamicas pueden ser:
Extensivas: Dependen de la cantidad de materia en el sistema (masa,
volumen, etc.)
Intensivas No dependen de la cantidad de materia en el sistema (densidad,
presion, etc.)
Ejemplo:
m 12m 1
2m
V12V 1
2V
T T T
p p p
ρ ρ ρ
}props.extensivas
}props.intensivas
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Observacion experimental:
Una de las variables mecanicas de dos sistemas en equilibrio termico es
dependiente de las demas:
ℓ − 1 de las ℓ variables son independientes
Ejemplo: Dos gases en equilibrio termico:
����������������������������������������������������
����������������������������������������������������
p
V1
1p
V2
2Sean p1, V1, V2 arbitrarios
Entonces, p2 no puede ser arbitraria
pared diatermica
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Por lo tanto:
Existe una relacion funcional entre las variables mecanicas de dos sistemas
que estan en equilibrio termico
Ejemplo: Dos gases en equilibrio termico:
p2 = f(p1, V1, V2)
Caso particular: Ley de Boyle
p2 =V1
V2
p1
Estado termodinamico
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El estado termodinamico de un sistema queda determinado cuando se
especifican los valores de sus variables termodinamicas
Solo es necesario especificar un numero suficiente de ellas (variables
independientes)
La determinacion de cuales son las variables independientes se hace
experimentalmente
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Caso de una sustancia pura:
El estado termodinamico de una sustancia pura, en ausen-
cia de campos electricos o magneticos, se especifica me-
diante dos de las tres variables p, V , T y el numero de
moles, n
Ejemplo:
1 mol de H2O pura a 1 atm y 25oC. En estas condiciones, el resto de variables
asume valores definidos:
ρ = ρ(T, p)
V =m
ρ, etc.
A partir de n
Ecuacion de estado
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Relacion funcional entre las variables mecanicas y la variable no mecanica
llamada temperatura:
p = p(n, T, V ) → Ecuacion de estado
→La ecuacion de estado es de naturaleza
fenomenologica
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Proceso termodinamico:
Es el cambio de un estado a otro que ocurre a un sistema termodinamico.
Un cambio de estado ocurre cuando una o mas variables termodinamicas
cambian sus valores.
La trayectoria de un proceso:
Una serie de estados intermedios a traves de los cuales se lleva al
sistema del estado inicial al final.
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Ejemplos:
Proceso isotermico: T = constante
(mediante paredes diatermicas)
Proceso isocorico: V = constante
(mediante paredes rıgidas)
Proceso isobarico: p = constante
(mediante paredes moviles, V y T variables)
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Proceso cuasiestatico:
Aquel cuyos estados intermedios son todos de equilibrio
Sea la ecuacion de estado de un mol de sustancia pura:
p = p(V, T )
p
T
V
V
T
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Otros ejemplos:
T
V
T
V
Estado inicial
Estado nal
isotérmico
isocórico
proceso cíclico
En un proceso cıclico los estados inicial y final coinciden y
→ El cambio neto en las funciones de estado es cero
→ El cambio neto en las funciones de trayectoria es diferente de cero
