3. PROPIEDADES Y ESTADOS

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1 3. PROPIEDADES Y ESTADOS

2 3.1 LOS CONCEPTOS DE PROPIEDAD Y ESTADO La propiedad es cualquier característica o atributo que se puede evaluar cuantitativamente El volumen La masa La energía La temperatura La presión La magnetización La polarización El color son propiedades de la materia. Las propiedades son cosas que "posee" la materia El trabajo y el calor no son propiedades

3 El estado de cualquier cosa es su condición y está descrita por medio de una serie de valores de sus propiedades. El trabajo y el calor no son propiedades El trabajo y el calor se "realizan" sobre un sistema y producen cambios en sus propiedades La cantidad de energía transferida depende de cómo se realiza dicho cambio

4 El estado termodinámico es la condición de la materia descrita por todas las propiedades termodinámicas No todas las propiedades varían independientemente El estado termodinámico puede ser fijado por los valores dados por solo unas cuantas propiedades termodinámicas El resto de las propiedades puede obtenerse por el valor de esas cuantas propiedades independientes

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6 3.2 EL EQUILIBRIO Y LAS PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Sistema aislado y cerrado de dos gases Pistón móvil, inicialmente fijado Temperaturas, presiones y volúmenes diferentes Fronteras rígidas y adiabáticas

7 Para cada tipo de equilibrio existe una propiedad termodinámica que dos sistemas tienen en común En la teoría de la termodinámica esta idea se utiliza para definir a la propiedad Estas definiciones aplican exclusivamente a los sistemas en equilibrio.

8 Equilibrio termodinámico Se usa para indicar que existe una condición invariable con respecto a todos los cambios macroscópicos posibles en un sistema donde las moléculas tienen la libertad de actuar entre sí de cualquier forma No presenta flujo macroscópico de energía, materia o carga, a pesar de que las moléculas se encuentran en libertad de pro- ducir dichos flujos Existe en una porción de materia que si se aísla y se observa no existen cambios macroscópicos cuando las moléculas pueden moverse con libertad para que intercambien energía, masa o carga.

9 Propiedades termodinámicas y equilibrio termodinámico Las propiedades que en alguna forma son relevantes para la energía se conocen como propiedades termodinámicas Cualquier propiedad definida en función de otras propiedades termodinámicas debe ser también una propiedad termodinámica El término propiedad termodinámica se refiere exclusivamente a un sistema termodinámico en equilibrio.

10 3.3 MEDICION DE LAS PROPIEDADES La actividad microscópica continúa La actividad microscópica continúa El estado macroscópico ha llegado al equilibrio Las mediciones macroscópicas tienen valores constantes y son propiedades del sistema en estado de equilibrio Los valores constantes de las propiedades corresponden a sus valores promedio y son suficientemente informativos para resolver los problemas de Ingeniería A estos promedios se les conoce como propiedades macroscópicas

11 3.3.1 PRESIÓN Concepto. Mecánico: la fuerza por unidad de área que un fluido ejerce sobre una pared Puede considerarse a la presión como el resultado de billones de choques que suceden cada segundo entre las moléculas de un fluido y una pared sólida

12 La presión dentro del fluido estático La presión dentro de un fluido en movimiento Se deben considerar las fuerzas viscosas y la definición de presión tendrá que ser cuidadosa. Mediciones de presión. Manómetro Presión Manométrica, es la "sensada" sobre la atmosférica Absoluta, considera la atmosférica

13 3.3.2 TEMPERATURA Concepto. Los movimientos moleculares tienden a ser más rápidos a altas temperaturas La energía tiende a pasar de las moléculas que forman una región de mayor temperatura hacia las que se mueven lentamente que conforman una región de menor temperatura. La temperatura es una propiedad de la materia La energía interna de una sustancia depende en parte -pero no totalmente- de la temperatura La temperatura de una pequeña porción de materia es la misma de todo el cuerpo, la energía de una pequeña porción sólo es una fracción de su energía total. Medición de la temperatura. Termómetro

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15 Ley Cero de la Termodinámica. Si dos sistemas están en equilibrio térmico, deben tener la misma temperatura. Si cada uno de ellos está en equilibrio con un tercero, los tres tendrán la misma temperatura, por lo que cualesquiera dos de ellos o los tres están en equilibrio térmico.

16 3.4 ESTADOS INTENSIVO Y EXTENSIVO Las propiedades extensivas son aquellas que dependen del tamaño o extensión del sistema Volumen Masa Área superficial Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen del tamaño del sistema Temperatura Presión

17 Cualquier propiedad extensiva, se puede convertir en una propiedad intensiva al dividirse por la masa, Está determinado por las propiedades termodinámicas inten- sivas v = V/m El estado termodinámico intensivo de un sistema Al determinarse su tamaño, la masa, se logra una descripción completa del estado termodinámico extensivo.

18 3.5 EL POSTULADO DE ESTADO Modo de trabajo reversible Es aquella forma relevante de realizar y recibir la misma cantidad de trabajo, al partir y regresar al mismo estado. dw = - p dv Fig. 7 Modo de trabajo reversible por el cambio de volumen.

19 3.5.2 El postulado de estado El número de propiedades termodinámicas que varían en forma independiente para un sistema específico, es igual al número de tipos importantes de trabajo reversible más uno. El número de propiedades termodinámicas intensivas independientes de un sistema especifico, es igual al número de tipos impor- tantes de trabajo reversible más uno.

20 p, V p = const; V T, U T = const; U Fig. 8 Variación de propiedades independientes en una sustancia simple compresible. No en cualquier caso, un par de variables son independientes

21 3.6 ESTADOS DE SUSTANCIAS SIMPLES Las descripciones más simples de la materia se obtienen como sustancias idealizadas Una sustancia simple tiene solo un tipo relevante de trabajo reversible El postulado de estado establece que el número de propiedades termodinámicas intensivas que varían en forma independiente de una sustancia simple son dos El término sustancia simple compresible se aplica a cualquier sustancia en la que el único tipo importante de trabajo reversible está dado por el cambio de volumen y es p dv.

22 - Ninguna sustancia es realmente simple compresible - Se encuentra que análisis ingenieriles satisfactorios se pueden hacer tratando a las sustancias involucradas como si fueran sustancias simples compresibles. Pares de propiedades termodinámicas intensivas de una sustancia simple compresible son: (u, v) (u, p)

23 3.7 ECUACIONES DE ESTADO - A partir del postulado de estado se sabe que la temperatura y la presión de una sustancia simple compresible puede expresarse funcionalmente como: T = T(u, v) p = p(u, v) Una ecuaciones de estado de una sustancia simple compresible es una relación matemática que determina a una propiedad termodinámica intensiva en función de cualesquiera dos propiedades termodinámicas intensivas que varían en forma independiente. Se puede fijar completamente al estado termodinámico especificando el valor de todas las propiedades termodinámicas dadas por sus ecuaciones de estado, a partir del valor de dos propiedades termodinámicas intensivas que varían independientemente.

24 Una sustancia simple compresible puede existir en varias formas. En forma gaseosa, las moléculas están muy separadas y se mueven libremente encontrando que tienen nuevos vecinos, existe muy poca energía que está relacionada con las fuerzas intermoleculares. En forma líquida, las moléculas están mucho más compactadas pero aún se mueven con cierta libertad. Para romper las fuerzas intermoleculares de enlace que existen en los líquidos se necesita suministrar gran cantidad de energía, a comparación con los gases. En forma sólida, las moléculas están restringidas a una posición definida dentro de una red cristalina y en consecuencia siempre tienen a los mismos vecinos. La fusión de un sólido se logra al suministrar suficiente energía para liberar individualmente a las moléculas. Existen varios tipos de estructuras en una red cristalina y por tanto, diversos tipos de sólidos.