Joaquín Bernal Méndez Dpto. Física Aplicada III 1

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1 TERMODINÁMICA Tm Tema 7: 7Cn Conceptos ptsfndmntls Fundamentales Fundamentos Físicos de la Ingeniería 1 er Curso Ingeniería Industrial Dpto. Física Aplicada III 1 Índice Introducción Sistema y entorno Criterios macroscópico y microscópico Coordenadas d termodinámicas i Equilibrio Procesos termodinámicos Dpto. Física Aplicada III 2/27

2 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 Dpto. Física Aplicada III 3/27 Índice Introducción Sistema y entorno Criterios macroscópico y microscópico Coordenadas d termodinámicas i Equilibrio Procesos termodinámicos Dpto. Física Aplicada III 4/27

3 Sistema y entorno Sistema: región del universo que aislamos para estudiarla Frontera Sistema Entorno masa y energía Dpto. Física Aplicada III 5/27 Clasificación de los sistemas Abierto: existe transferencia de materia y energía entre sistema y entorno Ejemplos: turbina; organismo vivo. Cerrado: sólo hay transferencia de energía Ejemplo: gas encerrado en recipiente con paredes móviles Aislado: no hay intercambio de materia ni energía Ejemplos: universo; sistema junto con su entorno Dpto. Física Aplicada III 6/27

4 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 Dpto. Física Aplicada III 7/27 Índice Introducción Sistema y entorno Criterios macroscópico y microscópico Coordenadas d termodinámicas i Equilibrio Procesos termodinámicos Dpto. Física Aplicada III 8/27

5 Criterios macroscópico y microscópico 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 Dpto. Física Aplicada III 9/27 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 iti No medibles Peso Pistón Gas Velocidad media Tiempo promedio entre colisiones etc.. Dpto. Física Aplicada III 10/27

6 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 P, V, T Peso Pistón Gas Dpto. Física Aplicada III 11/27 Índice Introducción Sistema y entorno Criterios macroscópico y microscópico Coordenadas d termodinámicas i Equilibrio Procesos termodinámicos Dpto. Física Aplicada III 12/27

7 Coordenadas termodinámicas Magnitudes macroscópicas útiles para determinar el estado de un sistema Ejemplos: presión, volumen, masa, temperatura t También: propiedades del sistema Normalmente un subconjunto de estas coordenadas termodinámicas es suficiente para caracterizar el estado del sistema: Coordenadas de estado ó variables de estado Dpto. Física Aplicada III 13/27 Coordenadas termodinámicas P, T, V,, m P, T, P, T, V/2 V/2 m/2 m/2 Propiedades extensivas: su valor depende de las dimensiones del sistema Propiedades intensivas: su valor no depende de la masa ni del volumen del sistema Dpto. Física Aplicada III 14/27

8 Coordenadas termodinámicas Las propiedades extensivas pueden expresarse por unidad de masa: magnitudes específicas V Ejemplo: volumen específico: v m También pueden expresarse por unidad d molar: magnitudes molares específicas Ejemplo: volumen molar: V v0 n Las magnitudes específicas son intensivas Dpto. Física Aplicada III 15/27 Coordenadas termodinámicas Tienen un significado ifi macroscópico Carece 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 Dpto. Física Aplicada III 16/27

9 Índice Introducción Sistema y entorno Criterios macroscópico y microscópico Coordenadas d termodinámicas i Equilibrio Procesos termodinámicos Dpto. Física Aplicada III 17/27 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 entorno El equilibrio termodinámico implica: Equilibrio térmico Equilibrio mecánico Equilibrio de fases Equilibrio químico Las propiedades de un sistema solamente están definidas con claridad dentro del equilibrio Dpto. Física Aplicada III 18/27

10 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: f ( P, V, T ) 0 Peso Ejemplos: Pistón Gas ideal: PV nrt Gas de Van der Waals: Gas 2 a Pn 2 V nbnrt V Dpto. Física Aplicada III 19/27 Equilibrio: ecuación de estado Ejemplo: sistema hidrostático puro, sistema simple compresible ó sistema PVT Coordenadas termodinámicas: P, Peso V, T,, Pistón Ecuación de estado: f ( P, V, T) 0 Gas Dos coordenadas describen el estado del sistema Coordenadas de estado Dpto. Física Aplicada III 20/27

11 Equilibrio: ecuación de estado Ejemplo: hilo estirado L Coordenadas termodinámicas: F, L, T, densidad lineal Ecuación de estado: f ( FLT,, ) 0 Dos coordenadas describen el estado del sistema F Coordenadas de estado Dpto. Física Aplicada III 21/27 Índice Introducción Sistema y entorno Criterios macroscópico y microscópico Coordenadas d termodinámicas i Equilibrio Procesos termodinámicos Funciones de estado Procesos cuasi-estáticos Dpto. Física Aplicada III 22/27

12 Procesos termodinámicos Cuando cambia alguna propiedad del sistema, el estado del sistema cambia Proceso termodinámico Tipos especiales de procesos: Isotermo: la temperatura permanece constante Isóbaro: la presión permanece constante Isocoro: el volumen permanece constante Dpto. Física Aplicada III 23/27 Funciones de estado Toda magnitud cuya variación en un proceso depende exclusivamente del estado inicial y el estado final: Y Y2 Y1 Matemáticamente: toda magnitud que puede expresarse como una función de las variables de estado Y Y( P, T) Ejemplos: energía interna, entalpía, volumen, No son funciones de estado el calor y el trabajo Las propiedades d de un sistema son, por definición, funciones de estado Dpto. Física Aplicada III 24/27

13 Procesos cuasi-estáticos 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 Dpto. Física Aplicada III 25/27 Procesos cuasi-estáticos Un proceso cuasi-estático puede representarse en una gráfica (sucesión de puntos de equilibrio): P 2 P 2 1 V 1 T Dpto. Física Aplicada III 26/27

14 Resumen La termodinámica clásica estudia el estado macroscópico de los sistemas y cómo les afectan las transformaciones energéticas El estado del sistema viene determinado por el valor de sus propiedades ó coordenadas termodinámicas En un sistema en equilibrio i existe una ecuación de estado: propiedades no son independientes Las propiedades necesarias y suficientes para determinar el estado del sistema: coordenadas de estado Cuando un sistema cambia de estado sufre un proceso termodinámico Las funciones de estado son aquellas magnitudes cuya variación ió en un proceso sólo depende del estado inicial y el estado inicial, pero no de la forma en que se realiza el proceso Las propiedades d de un sistema son funciones de estado Un proceso cuasi-estático es aquel en el que el sistema se encuentra siempre en equilibrio (irrealizable en la práctica) Dpto. Física Aplicada III 27/27

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