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conceptos basicos de la termodinamica
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TERMODINAMICA
SISTEMAS TERMODINAMICOS.
CONCEPTOS BASICOS
Dr. Rafael Gómez Escoto
26/08/2015 Rafael Gómez Escoto TERMODINAMICA
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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMATICA
ESCUELA DE FÍSICA
26/08/2015
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AULA VIRTUAL DEL CURSO DE TERMODINAMICA
Ciclo II/2015
26/08/2015
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SISTEMAS TERMODINAMICOS
CONTENIDO
DEFINICIONES BASICAS
Definición de Termodinámica, Sistema termodinámico, Límites del sistema,
Tipos de límites, Sistema cerrado, Sistema abierto, Volumen de control,
Sistema aislado.
Dimensiones, Unidades. Estado, Propiedades termodinámicas, Clasificación
de las propiedades, Fase, Cambios de fase. Ley cero de la Termodinámica.
PROCESOS TERMODINAMICOS.
Estado de equilibrio Termodinámico, Definición de procesos, Proceso de cuasi
equilibrio, Procesos isotérmicos, isobáricos, isométricos. Procesos de
expansión y compresión, Ciclos, Representación de procesos en diagramas
termodinámicos.
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Desde los tiempos prehistóricos, el hombre se
encontró compartiendo su vida con los cuatro
elementos que mucho más tarde consideraba
Aristóteles las bases del Universo: Tierra, Agua,
Aire y Fuego.
Este último comenzó pronto a manejarlo, producirlo y
utilizarlo. Al principio sólo para calentarse, después
para cambiar sus herramientas de piedra por
metálicas, combinando así la combustión con la
posibilidad de transformaciones de la materia,
reacciones químicas, lo cual hizo posible lentamente,
la construcción de herramientas.
Al principio sólo manejó, como ayuda a su esfuerzo muscular y al de los
animales, la fuerza del viento y de las corrientes de agua, y tuvo que
remontarse hasta hace unos trescientos años, para crear la máquina que trajo
en la historia la revolución industrial.
INTRODUCCIÓN
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La Energía en el Tiempo
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NATURALEZA DE LA TERMODINÁMICA
Inicia a finales de 1700, los inventores llegaron a una serie de conceptos y dispositivos. El fuego y vapor a trabajando para el hombre.
La revolución industrial.
La maquina de vapor, maquina de combustión interna, etc.
A los prácticos que inventaron y cuidaron de las máquinas, se los llamo ingenieros.
La “habilidad para realizar trabajo” usando el vapor, carbón, la madera, se consideró de principal importancia
¿Cuánta madera haría el trabajo de un galón de gasolina?
La “habilidad para realizar trabajo” es la energía
La energía es sinónimo de trabajo y tiene diferentes manifestaciones, energía potencial, cinética, química, etc.
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NATURALEZA DE LA TERMODINÁMICA
La termodinámica se desarrollo para estudiar la energía: Cuanto
hay en el carbón, madera, agua corriente, en el vapor a baja y alta
presión, en el huevo, tocino, caramelo, la caída de una piedra, el
movimiento de una bola de billar, es de interés de la primera ley de
la termodinámica.
“La energía para un sistema aislado permanece constante. Cuando hay
un intercambio de energía entre un sistema y su entorno, la energía
total final para el universo es igual a la energía total inicial”
Gran cantidad de formas de energía era equivalente a mucha de
otra forma, no siempre se podía transformar toda la de una clase a
la otra. Esto conduce a la segunda ley de la termodinámica.
“Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo y no
produzca otro efecto que el de elevar un peso y el de generar un
intercambio de calor entre el dispositivo y un depósito sencillo”
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TERMODINÁMICA:
Tiene como objetivo el entender las interrelaciones entre los
fenómenos mecánicos, térmicos y químicos.
Se puede definir como la Ciencia que estudia todas las
transformaciones o conversión de unas formas de energías en
otras y también la transmisión o transferencia de determinada
clase de energía.
En su sentido etimológico, podría decirse que trata del calor y
del trabajo.
La Termodinámica se desarrolla a partir de cuatro Principios o Leyes:
Principio Cero: permite definir la temperatura como una propiedad.
Primer Principio: define el concepto de energía como magnitud
conservativa.
Segundo Principio: define la entropía como medida de la dirección de
los procesos.
Tercer Principio: interpretación física de la entropía como orden de los
fenómenos naturales y de la evolución del universo
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ENERGÍA
El Sol es nuestra fuente inagotable de vida, es decir de Energía.
ENERGÍA ≡ CAPACIDAD DE REALIZAR TRABAJO
Primera Ley:
“La Energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”
Es decir, nunca podemos ganar a la naturaleza
Segunda Ley:
“La Entropía siempre aumenta”
Es decir, no podemos ni empatar a la naturaleza
TERMÓGENES Y ENTRÓPIDES
ENERGÍA.
Se podría definir como:
- La capacidad de producir cambios.
- La capacidad que tiene un cuerpo de producir trabajo o transferir calor.
Tipos de Energía.
Cinética, Potencial, Térmica, Mecánica, Eléctrica, Magnética,
Química, Nuclear, Mareomotriz, Solar, Eólica Interna.
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CONCEPTOS BASICOS
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Energía y formas de energía
Concepto de energía La energía es un concepto central en termodinámica.
Pero ¿Qué es la energía? La noción de energía es tan familiar que debe ser sorprendente que no exista una definición satisfactoria del concepto.
Feynman (1963) decía: Es importante darse cuenta de que en la física de hoy día no tenemos conocimiento alguno de lo que es la energía…
La noción de energía como la capacidad para efectuar trabajo es común en mecánica, pero no es una definición satisfactoria desde un punto de vista termodinámico.
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CONCEPTOS BASICOS
ENERGÍA INTERNA:
Asociada a la energía sensible (EC), energía latente (fase),
energía potencial (EP), tiene que ver con las interacciones
entre las moléculas.
Si hay cambio de composición se considera la energía
química (enlaces atómicos entre las moléculas)
Si hay reacciones nucleares se considera la energía nuclear
(enlaces atómicos del núcleo del átomo)
CONCEPTOS BASICOS
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TERMODINAMICA. -Es la ciencia de la energía.
-Es parte de la física, que estudia las interacciones de la energía con los cuerpos y su
influencia con sus propiedades.
-Tiene como objetivo entender las interrelaciones entre fenómenos mecánicos, térmicos y
químicos.
- Es la ciencia que estudia las transformaciones de unas formas de energías en otras.
Áreas de Aplicación.
Conversión de calor en trabajo o potencia.
Refrigeración, AC, calefacción.
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CONCEPTOS BÁSICOS
Tipos de Termodinámica. - Termodinámica Clásica: Se aplica un estudio macroscópico de la sustancia, no se requiere conocer
el comportamiento individual de cada partícula. Proporciona una manera fácil y directa de
resolver problemas de ingeniería.
- Termodinámica Estadística: Estudia las sustancias desde un punto de vista microscópico y
molecular, este es un enfoque mas elaborado con base al comportamiento promedio de grandes
grupos de partículas. Su estudio se basa en la mecánica quántica y la mecánica estadística.
Átomos Moléculas Sustancia
VACIO Para efectos de comparación, si un
átomo tuviese el tamaño de un estadio,
el núcleo sería del tamaño de una
canica colocada en el centro, y los
electrones, como partículas de polvo
agitadas por el viento alrededor de los
asientos.
Elementos de la tabla periódica (O, N,
Fe, He, Cr, etc)
Partícula neutra formada por
un conjunto de átomos
ligados por enlaces
covalentes. Ejm. O2, O3, N2, P4,
H2O, NH3, Etc.
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CONCEPTOS BASICOS
DIMENSIONES Y UNIDADES. Dimensiones: Son nombres arbitrarios utilizados para caracterizar cantidades físicas, las
magnitudes asociadas a las dimensiones se llaman Unidades.
UNIDADES BÁSICAS
Dimensiones primarias o fundamentales.
Dimensión Unidad (SI) Unidad (USCS)
Masa Kg lb-m
Longitud m ft
Tiempo s s
Temperatura K R
Corriente Eléctrica A A
Cantidad de Substancia mol mol
Fuerza ****** lb-f
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CONCEPTOS BÁSICOS
Dimensiones Secundarias: Son dimensiones que se expresan en términos
de las dimensiones primarias, por ejemplo volumen, presión, área.
En el Sistema [SI] la FUERZA es una dimensión secundaria.
F = m a [Kg m/s2] = [N]
Representa la fuerza necesaria para acelerar una masa de 1 Kg. En 1 m/s2
En el sistema [USCS] la FUERZA es una dimensión primaria. Esto genera una
fuente de confusión entre lb-m y lb-f
2
c
c
c 2
m aF [lbm f / s ]
g
Donde
g Cons tan te de proporcionalidad
lbm ftg 32.174
s lbf
c 2
Kgm mg 9.81
s Kgf
En el sistema
técnico.
gc = 1 En el [SI]
Todos los términos en una ecuación deben tener homogeneidad dimensional.
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CONCEPTOS BÁSICOS
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CONCEPTOS BÁSICOS
CLASIFICACION DE LAS PROPIEDADES. •Propiedades Intensivas: Son independientes del tamaño del sistema, por ejemplo la
temperatura, presión, densidad.
•Propiedades extensivas: Dependen del tamaño del sistema, es decir al variar el tamaño del
sistema también cambia la propiedad, por ejemplo la masa, volumen, energía total.
V, m, T, P,
(1/2)V
(1/2) m
T
P
(1/2)V
(1/2) m
T
P
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CONCEPTOS BÁSICOS
CLASIFICACION DE LAS PROPIEDADES.
•Propiedades especificas: Es una propiedad independiente de la masa
del sistema, es una propiedad extensiva dividida entre la masa, se denota
con letras minúsculas, por ejemplo el volumen especifico (v), la energía
interna especifica (u).
Todas las propiedades especificas son intensivas pero no todas las
propiedades intensivas son especificas, por ejemplo la presión,
temperatura, masa.
•Propiedad dependiente: La dependencia indica que al variar una
propiedad también varía otra.
•Propiedad independiente: Son propiedades que no se ven afectadas
por el cambio de otra propiedad.
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CONCEPTOS BÁSICOS. SISTEMAS,
VARIABLES Y PROCESOS
Sistema: Parte del universo que es objeto de estudio.
Entorno, alrededores, medio ambiente: Resto del universo
Tipos de sistemas
Materia
Energía
Abierto
Materia
Cerrado
Materia
Energía
Aislado
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CONCEPTOS BÁSICOS
•SISTEMA, FRONTERA, ENTORNO.
- Sistema es una porción de materia o región del espacio elegida para realizar un estudio.
- La superficie real o imaginaria que delimita el sistema se llama frontera.
-Entorno es todo lo que se encuentra fuera del sistema.
CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS.
Masa Constante
Abierto
Sistema Masa Variable
Cerrado
Limites Móviles.
Limites Fijos
Limites Reales.
Limites Imaginarios
Sistema (según
tipo de
fronteras)
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CONCEPTOS BÁSICOS
• Sistema Cerrado (masa de control):
Permite el intercambio de energía con los
alrededores pero sin intercambio de masa.
ENERGIA
•Sistema Abierto (volumen de
control): Permite el intercambio de masa
y energía con los alrededores.
-Sistema abierto con masa constante, la
masa total dentro del volumen de
control permanece constante. (Ejm.
Flujo por una tubería)
- Sistema abierto con masa variable, la
masa que entra no es igual a la masa que
sale del volumen de control. (Ejm.
Llenado de un tanque)
Energía Entrada de Masa
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CONCEPTOS BÁSICOS
CLASIFICACION SEGÚN SUS FRONTERAS
- Sistemas con límites móviles: Son sistemas que tienen límites que varían.
- Sistemas con límites Fijos: Son sistemas que tienen limites que no varían pueden ser reales o
imaginarios.
- Limites Reales: Son limites que existen físicamente.
- Limites Imaginarios: No existen físicamente.
Volumen de
Control
Limite Real
Móvil
Limite Real Fijo
Limite Imaginario
- Sistema Aislado: Es un caso especial en el que no existe intercambio de materia ni energía con
los alrededores.
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¿Qué separa el sistema de los alrededores?
Paredes
Rígida
Móvil
Adiabática
Diatérmicas
Permeable
Impermeable
Semipermeable
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Pared permeable
Pared semipermeable
Pared impermeable
CONCEPTOS BÁSICOS
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60ºC 40ºC
60ºC 40ºC 60ºC 40ºC
Pared adiabática
50ºC 50ºC
Pared diatérmica
CONCEPTOS BÁSICOS
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CONCEPTOS BÁSICOS
EQUILIBRIO, ESTADO, FASE. Equilibrio: Un sistema se encuentra en equilibrio cuando no tiene tendencia a cambiar
de estado por si mismo.
Un sistema se encuentra en equilibrio cuando en el no puede ocurrir un cambio
espontáneo hacia otro estado sin que ocurra un cambio en los alrededores.
El equilibrio termodinámico :
Equilibrio Térmico: Si la temperatura es la misma en todo el sistema.
Equilibrio Mecánico: Cuando la presión es la misma en todo el sistema.
Equilibrio Químico: Si su composición química no cambia con el tiempo.
Equilibrio de fases: Cuando la masa en cada fase alcanza su nivel de equilibrio y
permanece ahí.
El sistema se encuentra en equilibrio termodinámico si satisface todas
estas condiciones.
Estado: Es una condición de la sustancia que esta definida por sus propiedades.
Fase: Es una condición homogénea de la sustancia, existe sólida, líquida y gaseosa.
Cantidad de materia homogénea en composición química y estructura física.
30°C 30°C
30°C
30°C
30°C 30°C
30°C
30°C
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Un sistema heterogéneo puede constar de varios
sistemas homogéneos a estas partes se les llama fases
En este caso tenemos
tres fases, la sal no
disuelta, la solución y el
vapor de agua
CONCEPTOS BÁSICOS
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CONCEPTOS BÁSICOS
POSTULADO DE ESTADO.
El estado de una sustancia lo definen sus propiedades, pero no se requiere
especificar todas sus propiedades para fijar un estado, una vez que se conoce cierto
número de propiedades las demás se pueden determinar.
El estado de un Sistema Puro, Simple Compresible, se define completamente con dos
propiedades intensivas e independientes.
SISTEMA SIMPLE COMPRESIBLE.
Es aquel sistema que no esta sujeto a efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales,
tensión superficial. Estos efectos se deben a campos de fuerza externos.
PROCESO.
Es cualquier cambio que experimente el sistema de un estado de equilibrio a otro.
Procesos comunes: Isotérmico, Isobárico, Isocórico o Isométrico, Isoentálpico, Isentrópico,
Adiabático
TRAYECTORIA.
Es la serie de estados de equilibrio por el cual pasa un proceso, es el camino
recorrido, este debe responder a un patrón de cambio.
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CONCEPTOS BÁSICOS
PROCESO CUASIESTATICO O CUASIEQUILIBRIO. Es aquel que ocurre a través de sucesivos estados de equilibrio, realmente no existe es
ideal o teórico. Son procesos que ocurren suficientemente lentos que permiten al
sistema realizar un ajuste interno de manera que las propiedades en una parte del
sistema no cambien mas rápido que en otras partes.
PROCESOS CICLICOS. Son procesos cualesquiera que regresan al punto de partida, el estado final es igual al
estado inicial.
Por lo tanto
Proceso 1-2
Trayectoria
1
2
CICLO
d(Pr opiedad)0
dt
Proceso 1-2
Trayectoria
1
2
Ciclo
1 = 2
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CONCEPTOS BÁSICOS
PRESION. • Es la fuerza por unidad de área ejercida por un fluido sobre una superficie.
• En un fluido en reposo la presión es la misma en todas las direcciones.
• La presión en un tanque que contiene gas es la misma en todo el tanque ya que el peso del
gas es muy pequeño para hacer alguna diferencia apreciable.
La presión en un recipiente con líquido aumenta con la profundidad como resultado del
peso del fluido.
PB < PA
• La presión atmosférica es la fuerza ejercida por el aire sobre los cuerpos en la superficie
terrestre.
Patm= 101300 N/m2 = 101300 Pa = 101.3 kPa ≈ 1 bar = 14.6959 psi ≈ 14.7 psi
FP
A
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CONCEPTOS BÁSICOS
También podemos expresar la presión como el peso de una columna de
fluido
V = h A (Volumen = Altura * Área)
mm V
V
F m g
Por tan to
F m g V g h A gP
A A A A
P g h h
La expresión anterior representa la presión en el fondo de una
columna de fluido.
h d
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CONCEPTOS BÁSICOS
Escala de Presiones.
Patm
P manométrica
P absoluta de vacío Patm
P absoluta
P vacío
0 absoluto
PRESIÓN ABSOLUTA: Se mide con respecto al vacío absoluto o cero absoluto, se
mide con barómetros.
PRESIÓN MANOMÉTRICA: Mide la presión con respecto a la atmosfera, se mide
con manómetros.
PRESIÓN DE VACÍO: Mide la presión por debajo de la atmosférica, se mide con
vacuometros.
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CONCEPTOS BÁSICOS
Pabs = Patm + Pman
P a medir = g h + P atm
Ecuación de un manómetro en U
Patm
h P a medir
P indicada = P manométrica = P relativa
P abs = P indicada + P atm
P abs = P indicada + P exterior
Ecuación de un manómetro de Bourdón o tubo en C
P a medir
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Trabajo La cantidad de trabajo de una fuerza F, que produce un desplazamiento
l sobre un cuerpo, está dada por la ecuación:
En termodinámica encontramos el trabajo que acompaña al cambio en el
volumen de un fluido.
Considérese la compresión o
expansión de un fluido en un cilindro
provocada por el movimiento del
pistón.
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Al integrar:
Diagrama PV
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Energía El principio general de la conservación de la energía fue
establecido alrededor de 1850. El germen de este principio, tal
como se aplica a la mecánica, estaba ya implícito en los trabajos
de Galileo (1564-1642) e Isaac Newton (1642-1726)
El trabajo realizado sobre un cuerpo de masa m, sobre el que actúa
una fuerza F, y se desplaza una distancia dl durante un intervalo
diferencial de tiempo dt
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Por otra parte, el peso del cuerpo es la fuerza de gravedad sobre él, la
fuerza mínima requerida está dada por la ley de Newton como:
El trabajo mínimo necesario para levantar el cuerpo es el producto de
esta fuerza y el cambio en la altura:
Se define la energía potencial se define como:
Para un cuerpo en caída libre:
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Calor
¿Qué es el Calor?
El calor es energía en tránsito que
siempre fluye de una zona de mayor
temperatura a una zona de menor
temperatura.
En el sentido termodinámico, el calor nunca se
considera como algo almacenado en un cuerpo. Al
igual que el trabajo, éste existe sólo como energía
en tránsito de un cuerpo a otro
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La cantidad necesaria de CALOR
para subir la temperatura de
1 gramo de agua en 1ºC (de 14,5º a
15,5ºC, a presión atmosférica).
Una CALORÍA es....
Como forma de energía, el calor se mide en
JOULES.
Otra unidad de medida usada
antiguamente pero que aun persiste,
es la CALORÍA
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Calor en Tránsito
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El Equilibrio térmico es el estado que se alcanza por dos o mas
sistemas, caracterizados por valores particulares de las
coordenadas termodinámicas del sistema, después de haber estado
en comunicación a través de una pared diatérmica.
Sucede cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto. El
de mayor temperatura libera calor, transfiriéndolo al de menor temperatura,
hasta alcanzar el equilibrio térmico.
¿Qué es Equilibrio Térmico?
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CONCEPTOS BÁSICOS
LEY CERO DE LA TERMODINAMICA.
Establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio
térmico con un tercer cuerpo, están en equilibrio térmico
entre si.
Si A se encuentra en equilibrio
térmico con B y C
B y C están en
equilibrio térmico
Dos cuerpos están en equilibrio térmico si indican la misma lectura,
incluso si no se encuentran en contacto.
A B
C
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CONCEPTOS BÁSICOS
TEMPERATURA.
• Es una propiedad intensiva que indica el
nivel de energía es decir actividad molecular,
que tiene un cuerpo.
• Es la única propiedad suficiente para
determinar si dos cuerpos están en equilibrio
térmico.
• Se mide observando el cambio de una
propiedad con la temperatura de un cuerpo
patrón, se debe definir una escala de
temperatura y poner los dos cuerpos en
contacto.
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La temperatura es también una medida de la energía
cinética interna de las partículas que forman el sistema
(de las moléculas).
Distribución de velocidades (Maxwell-Boltzmann):
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CELSIUS O CENTIGRADA:
El punto del hielo fundente (punto de congelación del agua
saturada con aire a presión atmosférica estándar) es cero, y
el punto de vapor (punto de ebullición del agua pura a
presión atmosférica estándar) es 100.
ESCALA FAHRENHEIT:
Debida a Daniel Fahrenheit, la temperatura del punto de
congelamiento del agua es 32°F y la temperatura del punto
de vapor 212°F. Hay 180 divisiones (grados) entre los
puntos de referencia de esta escala.
ESCALAS DE TEMPERATURA
ESCALA KELVIN:
También llamada escala absoluta, se basa en el concepto
del Cero Absoluto y el tamaño de los grados en esta escala
es el mismo que el tamaño de los grados Celsius.
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CONCEPTOS BÁSICOS
K = °C + 273 R = °F + 460
K = °C R = °F
Escalas de Temperaturas
- 273 0 - 460 0
100 373 212 672
0 273.15
≈ 273
32 491.67 ≈ 492
Temperatura de ebullición del agua
a 1 atm
Temperatura de Fusión del agua
a 1 atm
°C K °F R
°F = 1.8 °C + 32 Escala Relativa
°C = (°F – 32) / 1.8 Escala Relativa
R = 1.8 K Escala Absoluta
K = R / 1.8 Escala Absoluta
R = 1.8 °C + 492 Escala Absoluta
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Termómetro de Gas
Se compone de una ampolla con
gas -helio, hidrógeno o nitrógeno,
según las temperaturas deseadas-
y un manómetro en U de Hg.
Se pone la ampolla del gas en el
ambiente cuya temperatura hay
que medir, y se ajusta la columna
de mercurio que está en conexión
con la ampolla, para darle un
volumen fijo al gas de la ampolla.
La altura de la columna de
mercurio indica la presión del
gas.
A partir de ella se puede calcular
la temperatura
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Termocupla o Termopar
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Diferentes Tipos de
Termómetros
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CONCEPTO DE HUELLA DE CARBONO
Se refiere a) a las emisiones directas de CO2 y de gases
de efecto invernadero (GEI), b) así como la conversión a
estos de todo tipo de consumo de recursos, c) y de los
gases que se dejan de absorber por ocupación de
espacios bio-productivos.
¡¡ ES UN INDICADOR QUE MIDE TODO EL IMPACTO FÍSICO DE LA
ACTIVIDAD HUMANA SOBRE EL PLANETA¡¡
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EMISIONES DIRECTAS E INDIRECTAS
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RESERVAS DE PETROLEO EN EL MUNDO
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VIVIENDO MÁS ALLÁ DE NUESTROS RECURSOS
“áreas fantasma”
– tomando lo
que es de otros “áreas fósil”
tomando lo que
es del pasado
(antigua luz
solar) “áreas de pérdida”
tomando lo que es del futuro
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EMISIONES GEI POR PAIS
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HUELLA ECOLOGICA EN C.A.
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HUELLA DE CARBONO POR PERSONA EN C.A.
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MATRIZ ENERGÉTICA EN EL SALVADOR
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EQUILIBRIO TERMODINÁMICO
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Los estados de equilibrio termodinámico se describen en
términos de las coordenadas macroscópicas sin
intervención del tiempo.
Para ello deben cumplirse las condiciones de equilibrio
termodinámico: EQUILIBRIO MECANICO, EQUILIBRIO
TERMICO, EQUILIBRIO QUIMICO.
Si no se cumplen estas condiciones, los estados por los
cuales pasa el sistema no pueden describirse en función
de coordenadas termodinámicas referidas al sistema en
conjunto.
En este caso, siempre es posible estudiar el sistema
dividiendolo en un gran numero de elementos de masa,
cuyas coordenadas termodinamicas, se encuentren en
equilibrio.
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Sistema Hidrostático es cualquier sistema de masa
constante que ejerce sobre su entorno una presión
hidrostática uniforme, en ausencia de efectos de
superficie, gravitatorios, eléctricos y magnéticos.
Sistemas Hidrostáticos:
1) Sustancia Pura
2) Mezcla Homogénea
3) Mezcla Heterogénea
Los estados de equilibrio de un sistema hidrostático,
pueden definirse mediante 3 coordenadas: Temperatura
(θ), Presión (P) y Volumen (V).
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ISOTERMAS DE UNA SUSTANCIA PURA
Líneas de
Vaporización
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DIAGRAMAS PΘ DE UNA SUSTANCIA PURA
El punto triple del agua se
encuentra a una temperatura
de 0,0098º C y una presión
de 4,58 mm de Hg. Línea de Hielo
Línea de Escarcha
Línea de Vapor
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PUNTO TRIPLE
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SUPERFICIE PVΘ DE UNA SUSTANCIA PURA
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ECUACIONES DE ESTADO
Ecuación de Estado del Gas Ideal:
Un gas ideal es un gas imaginario que tiene masa, pero sus
moléculas no ocupan lugar y no existen fuerzas entre ellas.
Ningún gas real obedece con exactitud a esta ley en todos los
intervalos de temperatura y presión, aunque algunos gases de
bajo peso molecular (hidrógeno, oxígeno, etc.), si son
consistentes con esta ley
El valor de la constante R, varía de acuerdo al sistema de
unidades utilizado: 8,31439 joule/mol °K
1,98719 cal/mol °K
82,0567 atm.cm3/mol °K
0,0820544 litro.atm/mol °K
PV = nRθ PV / nRθ = 1
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ECUACIONES DE ESTADO PARA GASES
REALES
El limite de aplicación de la ecuación de estado de los gases
ideales es cuando el gas se acerca a las condiciones criticas,
por disminución de la temperatura o presiones elevadas
En estos casos, se deberá considerar un gas real:
Para un gas real la Ecuación anterior no se cumple, por
que tendrá un valor distinto de la unidad, por lo cual esa
ecuación se puede escribir de la siguiente manera:
El coeficiente Z se denomina coeficiente de compresibilidad
del gas
Z = f(P,θ)
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Siendo:
Por lo tanto, si Z < 1, indica que Vr < Vi, es decir que el
volumen que ocupa un gas real en las mismas
condiciones de presión y temperatura es menor que el
que ocuparía un gas ideal, por lo tanto el gas real es más
compresible que el ideal.
Si en cambio Z > 1, indicaría que Vr > Vi y el gas real
tiene menos compresibilidad que el ideal, por lo que para
un valor determinado de presión y temperatura ocupa un
mayor volumen. Si Z = 1 indica que el gas real se
comporta como uno ideal.
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Otra ecuación de estado, es la desarrollada por Van Der Waals, que
data del año 1873 y fue establecida basándose en consideraciones
teóricas. Esta ecuación se presenta de la siguiente forma:
Al volumen V se le resta un término b, denominado covolumen, el cuál
tiene en cuenta el menor radio de acción molecular, y a la presión P se
le aumenta la cantidad a/V2, considerándose en este término el
aumento de presión que produce la atracción molecular. Los términos a
y b se obtienen de las siguientes fórmulas:
R es la constante denominada Constante Universal de los Gases.
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La ecuación de Beattie – Bridgeman, fue desarrollada en el año 1927:
Las 5 constantes, que no dependen de ningún parámetro, han sido
tabuladas para los principales gases. Por ejemplo, para el CO valen:
A0 = 26,706; a = 0,001621; B0 = 0,002380; b = 0,001644; c = 14996
La ecuación de Beattie – Bridgeman, representa con alguna precisión
todo el dominio situado por encima del punto triple.
Una de las ecuaciones más utilizadas por su exactitud, es la SRK (que
desarrollaron Soave, Redlich y Kwon en los años 80). Esta compleja
ecuación de estado, que se utiliza para vapores, se presenta de la
siguiente forma:
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En donde:
El término ω se denomina factor acéntrico y es una medida de la no
esfericidad de la molécula.
PVR es la presión de vapor reducida (presión de vapor del
compuesto/presión crítica).
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CAMBIOS DIFERENCIALES DE ESTADO
Si el volumen V de un sistema experimenta un pequeño cambio
comparado con V, pero grande en comparación con el volumen
ocupado por algunas moléculas, dicho cambio se escribe como un
diferencial dV. Defínase la función:
Un cambio infinitesimal de un estado de equilibrio a otro, implica
cambios dV, dP y dθ:
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Coeficiente de Compresibilidad Isotérmica:
Coeficiente de Dilatación Volumétrica:
Las diferenciales dV, dP y dθ, son diferenciales de funciones reales y
se denominan diferenciales exactas.
En el caso de un sistema hidrostático:
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Por consiguiente:
Una variación infinitesimal de presión puede expresarse ahora en
función de estas magnitudes físicas:
A volumen constante:
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Si provocamos un cambio finito de temperatura desde θi a θf, a
volumen constante, la presión cambiará desde Pi a Pf. Por integración
obtenemos:
Si el intervalo de temperatura Δθ es pequeño, se puede suponer que β
y κ, son constantes:
DILATACION LINEAL
Si un alambre de longitud L0 experimenta un cambio infinitesimal de un
estado de equilibrio a otro, el cambio en su longitud es una diferencial
exacta:
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Se define el Coeficiente de Dilatación Lineal como:
Modulo de Young isotérmico:
![1. Unidad 1. Conceptos Basicos de Mercadotecnia[1]](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5571fbd7497959916995ee56/1-unidad-1-conceptos-basicos-de-mercadotecnia1.jpg)
