Termodinámica Temas Selectos de Física 2 Prof. Daniel Valerio Martínez

Universidad La Salle Nezahualcóyotl

Conceptos básicos • Termodinámica • Sistema • Sistema abierto • Sistema cerrado • Sistema aislado • Frontera • Entorno

¿Qué estudia la termodinámica? • Es la rama de la física que estudia la energía, la transformación entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir trabajo. • La termodinámica dentro de sus aplicaciones al campo de la ingeniería tiene dos objetivos principales. Uno es describir las propiedades de la materia cuanto esto exista, a esto le llamamos estado de equilibrio. • El otro objetivo es describir los procesos en los cuales las propiedades de la materia si cambian y relacionar estos cambios a la transferencia de energía en forma de calor y trabajo con el cual es acompañado.

Definiciones • Sistema. • Es un conjunto de elementos con relaciones de interacción e interdependencia que le confieren entidad propia al formar un todo unificado. • Se refiere a una cantidad definida de materia encerrada por fronteras o superficies, ya sean reales o imaginarias. • Un sistema puede ser cualquier objeto, cantidad de materia, región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo de todo lo demás. • Todo lo que lo rodea es el entorno o el medio donde se encuentra el sistema. El sistema y el entorno forman el universo.

Conceptos básicos

Conceptos básicos

Conceptos básicos

Conceptos básicos

Sistema termodinámico • Un sistema termodinámico es un sistema macroscópico. El estado de un sistema se define como el conjunto completo de todas sus propiedades las cuales pueden cambiar durante varios procesos específicos. • Las propiedades las cuales comprenden este conjunto depende de los tipos de interacciones los cuales pueden tomar lugar tanto dentro del sistema y entre el sistema y sus alrededores. • La condición o existencia de un sistema termodinámico en un punto particular y en un determinado instante de tiempo se describe por un conjunto interrelacionado de cantidades susceptibles de ser medidas llamadas propiedades termodinámicas.

Conceptos básicos • Las propiedades termodinámicas son sólo aquellas cantidades cuyos valores numéricos no dependen de la historia del sistema, es decir, son independientes de la ruta seguida entre dos diferentes estados. • Las propiedades termodinámicas cuyos valores dependen del tamaño del sistema son llamadas propiedades extensivas tales como: volumen (V), entropía, energía interna. • Las propiedades termodinámicas cuyos valores no dependen del tamaño del sistema son llamadas propiedades intensivas tales como: presión (P), temperatura (T).

Conceptos básicos. • Así como hay ecuaciones de cinemática para describir el movimiento de un objeto, las leyes de Newton para describir las causas del movimiento, la ley de Ohm para describir el comportamiento dentro de un circuito, hay ecuaciones de estado para describir las condiciones de los sistemas termodinámicos. • Una ecuación con la descripción anterior expresa una relación matemática entre las variables termodinámicas de un sistema. • En el caso de sistemas termodinámicos una ecuación de estado tiene la siguiente forma: • f(P, V, T, n) = 0

+ Conceptos. • Un proceso es cualquier cambio en el estado de un sistema, es decir, se refiere al cambio de estado desde un estado inicial hasta un estado final. • Conocer el proceso significa conocer no sólo los estados inicial y final sino las interacciones experimentadas por el sistema mientras esta en comunicación con su medio o entorno. • Los procesos se clasifican como reversibles e irreversibles. • En un proceso reversible cada estado a lo largo de la trayectoria es un estado de equilibrio, así que el sistema puede regresar a sus condiciones iniciales a lo largo de la misma trayectoria o en la dirección contraria. Un proceso que no satisface este requisito es irreversible.

Diagrama de procesos

Diagrama de procesos.

Diagrama de procesos

Conceptos básicos • Temperatura • Equilibrio térmico • Calor • Ley cero de la termodinámica • Primera ley de la termodinámica • Segunda ley de la termodinámica

Definiciones • Temperatura. • Indica que tan caliente o frío se encuentra un objeto. • Es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas que componen al sistema. • Escalas de temperatura • Celsius • Fahrenheit • Kelvin

Comparación de intervalos de temperatura Intervalos de temperatura: 100 C0 = 180 F0 5 C0 = 9 F 0

1000C

2120F

100 C0

180 F0

tC Si la temperatura cambia de 79 0F a 70 0F, significa una disminución de 5 C0.

00C

tF

320F

Cero absoluto de temperatura P1

P2

T1

T2

Cero absoluto

T -2730C

00C

P

1000C

00C

1000C

Grafique los puntos (P1, 00C) y (P2, 1000C); luego extrapole a cero.

Cero absoluto = -2730C

Conceptos básicos • Ley cero de la termodinámica • Si los sistemas A y B están cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema C, entonces están en equilibrio térmico entre sí. • Existe una cantidad escalar, llamada temperatura, que es una propiedad de todos los sistemas termodinámicos. Dos sistemas están en equilibrio térmico si y sólo si sus temperaturas son iguales.

+Definciones • Calor. • Es la transferencia de energía entre dos cuerpos o sistemas puestos en contacto dada una diferencia de temperaturas entre ellas. • Los cuerpos no contienen calor, el calor es energía en transito y se identifica mientras está pasa a través de los límites del sistema. • La cantidad de calor necesaria para ir de un estado a otro es dependiente de la trayectoria. • Recordar que un objeto puede ganar o perder energía en forma de calor, y para describir tal situación debemos apoyarnos en los signos.

¿Recuerdas que significan los siguientes conceptos? • Capacidad calorífica • Calor específico • Calor latente • Caloría • Btu

Conceptos básicos • Primera ley de la termodinámica • La variación en la energía interna de un sistema es igual a la energía transferida a los alrededores o por ellos en forma de calor y trabajo. • ΔU = ΔQ – ΔW • Energía interna. • Es la energía asociada con los átomos y las moléculas del sistema. • Es la suma de las energía cinética y potencial, asociadas con los movimientos de traslación, rotación y vibratorio que se presentan de manera aleatoria por las partículas que forman el sistema.

Conceptos básicos • Segunda ley de la termodinámica • El calor no puede por si mismo, sin la intervención de un agente externo, pasar de un cuerpo frío a un cuerpo caliente. • Es imposible construir una máquina térmica que transforme en trabajo todo el calor que se le suministra.

Conceptos básicos • Segunda ley de la termodinámica • En cualquier proceso termodinámico que pasa de un sistema de equilibrio a otro, la entropía del sistema + el entorno, o bien permanece constante sin cambio o bien aumenta. • Entropía. Magnitud física utilizada en termodinámica para medir el grado de desorden de la materia.

Resumen de las leyes. • Las leyes de la termodinámica se enuncian de la siguiente manera: • No puedes ganar (porque no puedes obtener más energía de un sistema que la que le suministres); no puedes empatar (porque no puedes obtener toda la energía útil que le suministraste), y no puedes salirte del juego (porque la entropía del universo siempre esta aumentando).

Ley de los gases Descripción del sistema • Depósito térmico que me permite cambiar fácilmente la temperatura del sistema o depósito. • Si deseamos cambiar la presión, añadimos o quitamos peso sobre el émbolo. • El volumen puede ser alterado simplemente cambiando la posición del émbolo. • La cantidad de gas puede cambiarse al permitir que entre o salga gas de la cámara, cambiando por tanto el número de moléculas. • Después de cada cambio esperamos el tiempo suficiente para …

Ley de los gases. Imagen de la situación

Ley de los gases

Ley de los gases: Ley de Boyle Condiciones: Comprimir un gas a temperatura constante manteniendo constante el número de partículas.

Ley de Boyle • Entonces P como función de V se comporta de la • siguiente forma: • El volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión. • Por ejemplo, cuando se duplica el volumen, la presión disminuye a la mitad de su valor original. • Durante varios experimentos siempre se observa la siguiente gráfica:

Ley de Boyle

Ley de Boyle • P es inversamente proporcional a V, no importa la condición inicial ni la condición final, • Se observa que siempre ocurre lo siguiente: • PV = cte • Dicho de otra forma: • P1V1 =P2 V2

Ley de los gases: Ley de Charles Condiciones: Mantener constantes el número de partículas y la presión de un gas.

Ley de Charles • Como en muchas ocasiones de la vida diaria y como lo hemos visto en cursos de física, por ejemplo, una pelota expuesta al sol, un incremento en la temperatura del sistema indica un aumento en su volumen y, por el contrario, una disminución en su temperatura indica una disminución en su volumen. • Con base en estos experimentos se demuestra que: • El volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

Ley de Charles

Ley de Charles Matemáticamente se expresa de la siguiente forma: • V ≈T

• Dicho de otra manera: •

= constante

Ley de los gases: Ley de Gay-Lussac • Condiciones: Mantener constante el número de partículas y el volumen.

Ley de Gay-Lussac • Entonces observamos como cambia la presión en función de la temperatura. De acuerdo a los experimentos se observa lo siguiente: si se duplica la presión aplicada a un gas, su temperatura absoluta se duplicará también. Por tanto: • La presión absoluta de dicho gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

Ley de Gay-Lussac • Matemáticamente se tiene lo siguiente: • P ≈ T,

• Es decir, •

= constante

Ley de los gases ideales • De manera general o dicho de otra forma, lo más común es que un sistema sufra cambios de volumen, de temperatura y de presión como resultado de un proceso termodinámico. • Una relación más general que combina las tres leyes es la siguiente: •

= constante

• Dicho de manera coloquial (valerius) • « Una pibeta es una pibeta», no esperes que cambie.

Ley del gas ideal • Ahora vamos a considerar el efecto de un cambio de masa (partículas) en el comportamiento de los gases. Si la temperatura y el volumen de un gas confinado se mantienen constantes, al añadir más gas habrá un incremento en la presión. En forma similar, si la presión y la temperatura se mantienen fijos, al aumentar la masa habrá un aumento proporcional en el volumen del recipiente. • Matemáticas se tiene: •

= constante

Ley del gas ideal • La ecuación anterior es de carácter general. Sin embargo, lo que en realidad influye en la presión y el volumen no es la masa del gas, sino el número de moléculas de mismo. • Definición • La masa atómica es la masa de un átomo, el cual se considera como la masa total de protones y neutrones en un solo átomo (cuando el átomo no esta en movimiento)

Ley del gas ideal • Definición. • La masa atómica de un elemento es la masa de un átomo de dicho elemento comparada con la masa de un átomo de carbono tomado como 12 unidades de masa atómica.

Ley del gas ideal • Definición. • Una molécula consiste en una combinación química de dos o más átomos. • La masa molecular M es la suma de las masas atómicas de todos los átomos que componen la molécula. • Ejemplo: Una molécula de dióxido de carbono • CO2 tiene una masa molecular de 44 u

Ley del gas ideal • La unidad científica estándar para manejar átomos en cantidades macroscópicas es el mol. • Definición • Una mol es la cantidad de una sustancia que contiene el mismo número de partículas que el número de átomos que hay en 12 g de carbono 12. • Por ejemplo: 1 mol de carbono = 12 g

Ley del gas ideal • La razón del número de moléculas (N) al número de moles (n) debe ser igual al número de Avogadro (NA) NA =N/n NA = 6.0233 x 10 (23) moléculas por mol n = m / M , masa en gramos de la sustancia, M masa molecular.

Ley del gas ideal • Sustituyendo la expresión de la masa se tiene lo siguiente: •

=R

• Donde R es llamada la constante universal de los gases • R = 8.314 J / mol K

Presión manométrica • En un líquido o gas encerrado en un recipiente , además de la presión atmosférica puede recibir otra presión causada por otros diversos motivos, por ejemplo, la presión en las llantas de los vehículos como resultado del aire comprimido. • La presión diferente a la atmosférica recibe el nombre de presión manométrica. De donde la presión absoluta que soporta el fluido encerrado es igual a la suma de las presiones manométrica y atmosférica.

Presión manométrica • La mayoría de los dispositivos que permiten medir la presión directamente miden en realidad la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica. Como ya sabemos el resultado obtenido se conoce como presión manométrica. • Conversiones: • 1 atm = 101.3 kPa = 14.7 lb/in^2 = 76 cmHg = 2116 lb/pie^2 = 406.8 pulgada de agua.

Ejemplo 1 • ¿Qué volumen de gas hidrógeno a presión atmosférica se requiere para llenar un tanque de 5000 cm^3 bajo una presión manométrica de 530 kPa? • Ejemplo 2 • Un cilindro sin fricción se llena con 2 L de un gas ideal a 23°C . Un extremos del cilindro está fijo a un pistón movible y el gas puede expandirse a una presión constante hasta que su volumen llega a 2.5 L. ¿Cuál es la nueva temperatura del gas?

Ley de los gases ideales • Ejemplo 3: El neumático de un automóvil se infla a una presión manométrica de 207 kPa (30 Lb/in^2) en un momento en que la presión de los alrededores es de 1 atm y la temperatura es de 25°C. Después de manejarlo, la temperatura del aire del neumático aumenta a 40 °C. Suponga que el volumen de gas cambia sólo ligeramente . ¿cuál es la nueva presión manométrica en el neumático?

Ley de los gases • Ejemplo 4 • Un tanque para oxígeno con un volumen interior de 20 litros se llena con ese gas bajo una presión absoluta de 6 Mpa a 20°C . El oxígeno se va a usar en un avión para grandes alturas, donde la presión absoluta es sólo 70 kPa y la temperatura es de -20 °c. ¿Qué volumen de oxígeno será capaz de suministrar el tanque en esas condiciones?