Elaboró: Efrén Giraldo MSc.

Transcripción

1 TERMODINÁMICA Clase 2 conceptos Elaboró: Efrén Giraldo MSc. Revisó: Carlos A. Acevedo Ph.D Presentación hecha exclusívamente con el fin de facilitar el estudio

2 Contenido: Microestructura Fase Propiedades termodinámicas Estado Proceso Trayectoria Flujo estable Flujo inestable o transitorio 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 2

3 Microestructura: cristalina, amorfa Cristalina: es la forma como se organizan los átomos al pasar del estado líquido al sólido, formando ordenamientos o figuras geométricas espaciales repetitivos: cubos, hexágonos, tetraedros, etc. Amorfa o vítrea: no forma un orden repetitivo en las 3D 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 3

4 Figura 1. Estructura cristalina. Figura 2. Estructura amorfa. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 4

5 Figura 3. Cristal de Pirita Figura 4. estructura cristalina de la sal Fase: porción físicamente homogénea en toda ella pero distinta de otras partes de un sistema 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 5

6 Una fase debe cumplir tres características: 1. Misma composición química 2. Misma estructura ( cristalina o amorfa 3. Separada de otras fases por una interfase. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 6

7 Los tres estados físicos comunes de la materia(s,l,g) son a la vez tres fases. Figura 5. Ocho fases presentes en un refresco y su envase. Sólo tres estados físicos. LINC VIDEO LOS ESTADOS FÍSICOS DE LA MATERIA 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 7

8 Figura 6. los tres estados de la materia y su relación con la E. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 8

9 Sólido Líquido Agregar calor Gas Fusión Vaporización Solidificación Condensación Disminuir calor Figura 7. Los tres estados físicos de la materia y los cambios de estado. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 9

10 Si se pasa de S L G hay que agregar calor (aumento de T) Lo contario para ir de G L S, hay que quitar calor 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 10

11 Propiedades de un Sistema Están determinadas por las variables básicas que se pueden observar, medir o cuantificar en las sustancias o en los sistemas. Definen o determinan el estado de un sistema al tomar valores fijos. CLIC PROPIEDADES TERMODINÁMICAS 12/08/

12 ropiedades: dependientes o independientes Algunas propiedades son: Temperatura(T), presión(p), masa, energía(e), energía interna(u) entalpia(h),. Dependientes: cuando una depende de la otra, si la una varía la otra también. Independientes: cuando una no depende de la otra. Si una varía la otra no. Si se mantiene la una fija, la otra puede variar. HACER CLIC: VARIABLES TERMODINÁMICAS 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 12

13 A nivel del mar ( 1 atm) el agua cambia de fase (y estado L a G)) a 100 C, pero a 0,84 atm a una altura de 1479 msm. (Medellín) lo hace a 97 C. Como es un sistema de 2 fases, la T depende de la presión atm 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 13

14 En cambio la temperatura y el volumen específico son propiedades independientes para sistemas compresibles simples. Es importante resaltar que conociendo algunas propiedades, se pueden conocer las restantes. Esto lo determina el Postulado de Estado que veremos más adelante. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 14

15 Propiedades termodinámicas Las propiedades termodinámicas son sólo aquellas cuyos valores numéricos no dependen de la historia del sistema, es decir, son independientes de la ruta seguida entre dos diferentes estados. Dependen de las condiciones iniciales y finales del sistema. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 15

16 La propiedades termodinámicas también se conocen como variables de estado, parámetros de estado o variables termodinámicas. Una vez conocidas algunas variables termodinámicas, los valores de todas las otras propiedades del sistema son determinadas. 16

17 Las propiedades físicas se expresan en sistemas de unidades, lo cual permite expresarlas de forma fácil y precisa. Como ciencia fenomenológica, la termodinámica no se ocupa de ofrecer una interpretación física de sus magnitudes. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 17

18 Propiedades extensivas Dependen de la cantidad de materia. Si se divide el sistema la suma de las partes de la propiedad es igual al total: Volumen, Energía, masa, etc. Es claro entonces que las propiedades extensivas son aditivas. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 18

19 Propiedades intensivas No dependen de la masa del sistema: Temperatura, densidad, concentración, velocidad Las propiedades solo se pueden medir cuando el sistema está estado de equilibrio termodinámico. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 19

20 Propiedades específicas Algunas propiedades como la densidad, el punto de ebullición, la resistencia, elasticidad, etc diferencian un sustancia o un cuerpo de otro. Por eso se llaman específicas.

21 Así, la densidad es propia de cada material, porque tiene valores diferentes para cada uno y lo específica. Lo mismo el volumen específico. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 21

22 Las propiedades extensivas se pueden convertir en intensivas 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 22

23 Estado termodinámico y equilibrio de un sistema Equilibrio: el sistema no sufre cambio. El estado termodinámico se define sólo cuando el sistema está en equilibrio. Estado es un conjunto de valores determinados que toman las propiedades de un sistema termodinámico en equilibrio. CLIC EQUILIBRIO 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 23

24 P (P1, T1) Estado 1 Figura 8. El estado 1 está definido por la presión 1 y por la temperatura 1 Entonces un estado está definido y determinado cuando sus propiedades son conocidas o toman valores dados. O sea si se conocen su T, P, masa, energía T 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 24

25 Además de los tres estados físicos comunes de la materia, existen multitud de estados termodinámicos de un sistema. Tantos como los correspondientes a cada cambio de sus propiedades. Por tanto el concepto de estado termodinámico es más amplio que el de estado físico de la materia (L,S,G) 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 25

26 Los estados físicos(s,l,g) de la materia dependen de los valores de sus propiedades. El agua puede ser sólida, líquida o gas según los valores de la presión y la temperatura. Lo mismo le pasa a cada substancia: es sólida, líquida o gaseosa según los valores de la presión y la temperatura. CLIC: PROPIEDADES Y ESTADOS 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 26

27 Equilibrio En general se dice que un cuerpo está en equilibrio si: Tiene la misma temperatura en todo el y se mantiene fija. La misma presión. No ocurren reacciones químicas al interior del sistema. No hay cambios de fase. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 27

28 El Equilibrio, es un concepto fundamental de la Termodinámica. Las variables que describen un sistema que está en equilibrio, no cambian con el tiempo. Para comprobar si un sistema está en equilibrio habrá que aislarlo (imaginariamente) y comprobar que no evoluciona por sí solo. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 28

29 De hecho la termodinámica solo trabaja con sistemas en equilibrio. En el equilibrio térmico,todas las partes del sistema se encuentran a la misma temperatura. CLIC: EQUILIBRIO TÉRMICO 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 29

30 Proceso y trayectoria de un sistema Cualquier cambio que experimenta un sistema de un estado de equilibrio 1 a otro 2 se le llama proceso. Cuando en un sistema se varían las variables termodinámicas: presión, temperatura, volumen, etc., se dice que se lo somete a un proceso termodinámico. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 30

31 Propiedad A Estado 1 Estado 2 Figura 9. Proceso y Trayectoria Propiedad B La trayectoria se da cuando cambia por lo menos alguna de las propiedades termodinámicas. Es la serie de estados por los que pasa un sistema durante un proceso. 31

32 Clases de procesos Isotérmico: T=k Isobárico: P=k Isocórico: v específico= k Adiabático: no transferencia de calor Isoentrópico: un proceso adiabático que es además reversible. Cíclico: el estado final coincide con el inicial. 12/08/

33 Procesos reversible son a aquellos que hacen evolucionar a un sistema termodinámico desde un estado de equilibrio inicial a otro nuevo estado de equilibrio final a través de infinitos estados de equilibrio. Un proceso reversible es aquel que, después de ser llevado de un estado inicial a uno final, puede retomar sus propiedades originales. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 33

34 La variación de las variables de estado del sistema, entre un estado de equilibrio intermedio y el sucesivo, es una infinitesimal, es decir, la diferencia que hay entre el valor de una de las variables en un estado y el siguiente es muy pequeño. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 34

35 P Isoterma 2 Isoterma 1 Adiabático W V Figura 10. Diversos Procesos 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 35

36 Proceso de flujo estable Las propiedades del fluido no cambian en un punto dado en el tiempo, pero pueden cambiar de un punto a otro. Dispositivos de flujo estable: turbinas, bombas, calderas, condensadores, intercambiadores de calor, plantas de E, sistemas de refrigeración. 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 36

37 Cambio con la posición No cambio con el tiempo Entra masa Sale masa Tiempo: 1 PM Tiempo: 3 PM Figura 11. Durante un proceso de flujo estable, las propiedades del fluido dentro del sistema pueden cambiar con la posición, pero no con el tiempo. (Cengel, 2004) 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 37

38 Flujo inestable o transitorio Proceso de flujo inestable o transitorio: las propiedades cambian con el tiempo en un punto. Proceso uniforme: las propiedades no cambian en un punto dado 12/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 38

39 Bibliografía Cengel, Y., y Boles, M. (2007). Termodinámica. Mc Graw Hill. 5 ed. México. Laplace. Departamento de Física aplicada III. Universidad de Sevilla: o._temperatura_(gie) UPM: Página de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) España: ica/termo1p/sistema.html ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 39

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