TERMODINÁMICA Tema 7: Conceptos Fundamentales · Curso 2006/07 Joaquín Bernal Méndez Dpto. Física Aplicada III 1 TERMODINÁMICA Tema 7: Conceptos Fundamentales Fundamentos Físicos

Curso 2006/07Joaquín Bernal Méndez

Dpto. Física Aplicada III 1

TERMODINÁMICATema 7: Conceptos Fundamentales

Fundamentos Físicos de la Ingeniería

1er Curso Ingeniería Industrial

Fundamentos Físicos de la IngenieríaCurso 2006/07

Ingeniería IndustrialDpto. Física Aplicada III

Tema 7: Conceptos fundamentales2/27

Índice

Introducción

Sistema y entorno

Criterios macroscópico y microscópico

Coordenadas termodinámicas

Equilibrio

Procesos termodinámicos




Introducción

Termodinámica: rama de la Física que estudia los fenómenos inherentes a las transformaciones energéticas y sus efectos sobre el estado de la materia

Origen: estudio de la producción de trabajo a partir de fuentes de calor




Índice

Introducción

Sistema y entorno



Equilibrio





Sistema y entorno

Sistema: región del universo que aislamos para estudiarla

Entorno

Sistema

Frontera

masa y energía




Clasificación de los sistemas

Abierto: existe transferencia de materia y energía entre sistema y entorno

Ejemplos: turbina; organismo vivo.

Cerrado: sólo hay transferencia de energíaEjemplo: gas encerrado en recipiente con paredes móviles

Aislado: no hay intercambio de materia ni energía

Ejemplos: universo; sistema junto con su entorno




Clasificación de los sistemas

Homogéneos: propiedades físicas y químicas iguales en todo punto del sistema

Ejemplos: gas, disolución diluida, sólido puro

Heterogéneos: formado por subsistemas homogéneos (fases) de propiedades distintas

Ejemplo: disolución saturada, agua y hielo

En este bloque nos limitaremos al estudio de sistemas homogéneos




Índice

Introducción

Sistema y entorno



Equilibrio






Descripción del estado de un sistema:

Mecánica: coordenadas espaciales y de velocidad

Electromagnetismo: valores de los campos eléctricos y magnéticos en todos los puntos del espacio

En Termodinámica se trata de describir el estado “interno” de un sistema




Criterio microscópico

Método de la Termodinámica estadística

Es preciso establecer una hipótesis sobre estructura de la materia

Se describe el estado del sistema con muchas variables:

No intuitivas

No medibles

Gas

PesoPistón

• Velocidad media

• Tiempo promedio entre colisiones

• etc..




Criterio macroscópico

Método de la Termodinámica clásica

No se parte de hipótesis sobre estructura de la materia

Se describe el estado del sistema con unas pocas variables:

Sugeridas por los sentidos

Medibles

Gas

PesoPistón

P, V, T




Índice

Introducción

Sistema y entorno



Equilibrio






Magnitudes macroscópicas útiles para determinar el estado de un sistema

Ejemplos: presión, volumen, masa, temperatura…

También: propiedades del sistema

Normalmente un subconjunto de estas coordenadas termodinámicas es suficiente para caracterizar el estado del sistema:

Coordenadas de estado óvariables de estado





Propiedades extensivas: su valor depende de las dimensiones del sistema

Propiedades intensivas: su valor no depende de la masa ni del volumen del sistema

P, T, V, ρ, mP, T, ρ P, T, ρV/2m/2

V/2 m/2





Las propiedades extensivas pueden expresarse por unidad de masa: magnitudes específicas

Ejemplo: volumen específico:

También pueden expresarse por unidad molar: magnitudes molares específicas

Ejemplo: volumen molar:

Las magnitudes específicas son intensivas

Vv

m=

0

Vv

n=





Tienen un significado macroscópicoCarece de sentido aplicarlas a sistemas con un reducido número de moléculas o átomos

¡ Una molécula carece de T ó P !

Cuando se usan en forma diferencial: dP, dV… denotan cambios macroscópicos.

Ejemplo: Un dV es un cambio de volumen pequeño respecto a V, pero suficientemente grande para contener un número muy elevado de moléculas




Índice

Introducción

Sistema y entorno



Equilibrio





Equilibrio

Se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico si no es capaz de experimentar un cambio espontáneo de estado sin un cambio de su entornoEl equilibrio termodinámico implica:

Equilibrio térmicoEquilibrio mecánicoEquilibrio de fasesEquilibrio químico

Las propiedades de un sistema solamente están definidas con claridad dentro del equilibrio




Equilibrio: ecuación de estado

Relación entre las coordenadas termodinámicas de un sistema en equilibrio

Pueden obtenerse mediante experimentación ó estudio teórico (ajeno a la Termodinámica)

Sistema PVT:

Ejemplos:Gas ideal:

Gas de Van der Waals:

( , , ) 0f P V T =

Gas

PesoPistón

PV nRT=

( )22

aP n V nb nRT

V⎛ ⎞+ − =⎜ ⎟⎝ ⎠





Ejemplo: sistema hidrostático puro, sistema simple compresible ó sistema PVT

Gas

PesoPistón

Coordenadas termodinámicas: P, V, T, ρ,…

Ecuación de estado:

Dos coordenadas describen el estado del sistema

( , , ) 0f P V T =

Coordenadas de estado





Ejemplo: hilo estirado

Coordenadas termodinámicas: F, L, T, densidad lineal…

Ecuación de estado:

Dos coordenadas describen el estado del sistema

L

F

( , , ) 0f F L T =

Coordenadas de estado




Índice

Introducción

Sistema y entorno



Equilibrio

Procesos termodinámicosFunciones de estado

Procesos cuasi-estáticos





Cuando cambia alguna propiedad del sistema, el estado del sistema cambia

Tipos especiales de procesos:Isotermo: la temperatura permanece constante

Isóbaro: la presión permanece constante

Isocoro: el volumen permanece constante

Proceso termodinámico




Funciones de estado

Toda magnitud cuya variación en un proceso depende exclusivamente del estado inicial y el estado final: Matemáticamente: toda magnitud que puede expresarse como una función de las variables de estado

Ejemplos: energía interna, entalpía, volumen,…No son funciones de estado el calor y el trabajo

Las propiedades de un sistema son, por definición, funciones de estado

2 1Y Y Y∆ = −

( , )Y Y P T=





Infinitamente lentos (irrealizables)

El sistema se considera en equilibrio en cualquier punto del proceso

La ecuación de estado se cumple en cualquier punto del proceso

Tienen gran importancia teórica y práctica en Termodinámica





Un proceso cuasi-estático puede representarse en una gráfica (sucesión de puntos de equilibrio):

P

V

1

2 P

T

1

2




Resumen

La termodinámica clásica estudia el estado macroscópico de los sistemas y cómo les afectan las transformaciones energéticasEl estado del sistema viene determinado por el valor de sus propiedades ó coordenadas termodinámicasEn un sistema en equilibrio existe una ecuación de estado:propiedades no son independientesLas propiedades necesarias y suficientes para determinar el estado del sistema: coordenadas de estadoCuando un sistema cambia de estado sufre un proceso termodinámicoLas funciones de estado son aquellas magnitudes cuya variación en un proceso sólo depende del estado inicial y el estado inicial, pero no de la forma en que se realiza el procesoLas propiedades de un sistema son funciones de estadoUn proceso cuasi-estático es aquel en el que el sistema se encuentra siempre en equilibrio (irrealizable en la práctica)

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