TERMODINÁMICA y FÍSICA ESTADÍSTICA I

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1 TERMODINÁMICA y FÍSICA ESTADÍSTICA I Tema 2 - TRABAJO, CALOR Y PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMO- DINÁMICA Trabajo. Procesos cuas-estátcos. Dagramas PV. Cálculo del trabajo realzado en derentes sstemas termodnámcos. Naturaleza ísca del calor. Trabajo adabátco. Energía nterna. El prmer prncpo de la termodnámca. BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA: Zemansky, Capítulos 3 y 4. Agular, Capítulo 3.

2 Trabajo Nos reerremos al TRABAJO EXTERNO o trabajo realzado por el sstema o sobre el sstema termodnámco en su conjunto. El trabajo mecánco se dene como la energía que se transere entre un sstema y el medo que lo rodea cuando entre ambos se ejerce una uerza que mplca desplazamento. Y se mde medante el producto escalar de la uerza por la dstanca a lo largo de la cual actúa dcha uerza: W 2 = 1 F dr CRITERIO DE SIGNOS: W > 0 SISTEMA W < 0

3 Trabajo en un sstema hdrostátco F V

4 Trabajo en un sstema hdrostátco F V dx W = F dr = F dx = ( P A) dx = P ( dv )

5 Trabajo en un sstema hdrostátco F V dx En algunos lbros, se usa todavía el crtero egosta o de ngenero : ng = + W P dv

6 Trabajo en un sstema hdrostátco. Procesos cuas-estátcos F V

7 Trabajo en un sstema hdrostátco: Procesos cuas-estátcos F V dx δw = P dv Equlbro termodnámco equlbro mecánco, térmco y químco Durante un proceso cuas-estátco, el sstema se encuentra en todo momento nntesmalmente cerca de un estado de equlbro termodnámco Las ecuacones de estado se cumplen durante todo el proceso. W = W

8 Trabajo en un sstema hdrostátco: Dagramas P V Proceso sobárco Proceso sotérmco Proceso socórco W = W ng = P dv = P ( V V ) nrt W = W dv ng = P dv = V W = Wng = 0

9 Sstema termodnámco Sstema hdrostátco Trabajo en otros sstemas termodnámcos Varable ntensva Y Varable extensva X Trabajo δw Presón P (Pa) Volumen V (m 3 ) P dv Hlo estrado Tensón τ (N) Longtud L (m) τ dl Lámna supercal Tensón supercal σ (N/m) Área A (m 2 ) σ da Pla eléctrca Fem Ɛ (V) Carga Z (C) Ɛ dz Sóldo deléctrco Sóldo paramagnétco Campo eléctrco E (V/m) Campo magnétco µ 0 Н (N/A m) W = Y dx Polarzacón total Ƥ (C m) Imanacón M (A m 2 ) E dƥ µ 0 Н dm

10 Trabajo al varar la manacón en un sóldo paramagnétco I N/L m=m/v W = Y dx Ley de Faraday: Ɛ = d φ m = N A dt db dt Energía consumda durante dt: δw = Ɛ dz= Ɛ I dt Intensdad de campo magnétco producda por la corrente del solenode: H = N I L N I A = = L A N A I V δw = + N A I db= V H db

11 Trabajo al varar la manacón en un sóldo magnétco δw = V H db B M = µ 0 H + δw = V H µ V 0 (dh + dm/v) = V µ 0 H dh + µ 0 H dm Trabajo necesaro para aumentar el campo magnétco en el vacío Trabajo necesaro para aumentar la magnetzacón del materal W = ( µ 0 H ) dm

12 El trabajo NO es una uncón de estado W = Y dx Y X X X

13 El trabajo NO es una uncón de estado W = Y dx δw = Y dx Y W W = Y dx 0 X X X

14 Calor El CALOR se dene como la energía que se transere de un cuerpo a otro, en general, entre un sstema y su entorno debdo a una derenca de temperaturas. * Teoría del calórco (sglos XVII-XVIII): Fludo nvsble y sn peso, que se conservaba en total, pudéndose transerr de un cuerpo a otro * El Conde Rumord de Bavera (h. 1800) comprobó que el metal de los cañones tambén se calentaba por rccón (trabajo mecánco) sn que nngún otro cuerpo cedese nada de su calórco * Expermentos de Joule (sglo XIX): demostraron de orma dentva la equvalenca entre energía mecánca y calor

15 Calor * Expermentos de Joule (sglo XIX): demostraron de orma dentva la equvalenca entre energía mecánca y calor: J = 1 cal

16 Trabajo adabátco El TRABAJO realzado en todos los posbles procesos adabátcos utlzables para pasar de un certo estado ncal a otro estado nal es sempre el msmo.

17 La uncón ENERGÍA INTERNA (U) Exste una uncón de estado que sólo depende de las varables termodnámcas del sstema, cuya varacón al pasar de un estado a otro es gual al trabajo (adabátco) realzado: W adab = U U [ δw adab = du ] dp P U dt T U du T P + = dv V U dt T U du T V + = ó

18 El Prmer Prncpo de la Termodnámca En general, para procesos no adabátcos: U = Q + W Prmer Prncpo de la termodnámca: La varacón de la energía nterna de un sstema termodnámco es gual a la suma del calor total recbdo y al trabajo total realzado sobre el sstema. (Generalzacón del prncpo de conservacón de la energía + equvalenca entre energía mecánca y caloríca + exstenca de una uncón de estado energía nterna U) du = δq + δw

19 El Prmer Prncpo de la termodnámca en dstntos sstemas termodnámcos Sstema termodnámco Sstema hdrostátco Varable ntensva Y Varable extensva X 1º Prncpo de la TD Presón P Volumen V du = δq P dv Hlo estrado Tensón τ Longtud L du = δq + τ dl Lámna supercal Tensón supercal σ Área A du = δq + σ da Pla eléctrca Fem Ɛ Carga Z du = δq + Ɛ dz Sóldo deléctrco Sóldo paramagnétco Campo eléctrco E Polarzacón total Ƥ du = δq + E dƥ Campo magnétco µ 0 Н Imanacón M du = δq + µ 0 Н M