UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE FACULTAD DE INGENIERÍA. DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA CURSO FÍSICA II 2012 CLASE I y II Prof.

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA CURSO FÍSICA II 2012 CLASE I y II Prof. Juan José Corace

2 FISICA II SISTEMAS MATERIALES Y SISTEMAS TERMODINÁMICOS. PROPIEDADES. ESTADO DE UN SISTEMA. PROCESOS.

3 FISICA II TERMODINÁMICA

4 La palabra ENERGÍA,, proviene del vocablo Εργον (érgon) que significa fuerza en acción,, o capacidad para producir trabajo, es el protagonista principal de nuestra materia: LA TERMODINÁMICA

5 LA TERMODINÁMICA ES LA CIENCIA QUE ESTUDIA LA CONVERSIÓN DE UNAS FORMAS DE ENERGÍAS EN OTRAS. ETIMOLÓGICAMENTE, ES EL ESTUDIO DE LA RELACIÓN ENTRE CALOR Y DEL TRABAJO

6 FORMAS DE ENERGÍA CONDICIÓN ENERGÍA SIN TRANSICIÓN ENERGÍA EN TRANSICIÓN TIPO POTENCIAL CINÉTICA INTERNA (TÉRMICA) ELECTROMAGNÉTICA FORMACIÓN QUÍMICA TRABAJO CALOR TRANSFERENCIA DE CALOR CONDICIÓN PROPIEDADES DEL SISTEMA NO ES UNA PROPIEDAD DEL SISTEMA ES FUNCIÓN DE UN PROCESO SE PRESENTA DURANTE UN PROCESO

7 SISTEMAS MATERIALES POSEEN DE LOS ENERGÍA ENTRE HACE POSIBLE SE EJERCEN MUTUAMENTE A TRAVÉS DE MODIFICAN LA ACCIONES PRODUCEN CAMBIOS

8 LA TERMODINÁMICA SE DESARROLLA A PARTIR DE PRINCIPIOS O LEYES: Principio Cero: : permite definir la TEMPERATURA como una propiedad. Primer Principio: : define el concepto de ENERGÍA como magnitud conservativa. Segundo Principio: : define la ENTROPÍA como magnitud no conservativa, una medida de calificar los procesos. Tercer Principio: : postula algunas propiedades en el CERO ABSOLUTO de temperatura.

9 En términos simples: Primer Principio: señala la CANTIDAD de energía. Segundo Principio: define la CALIDAD de la energía. Tercer Principio: define la muerte térmica del Universo o el FINAL de la energía.

10 TERMODINÁMICA la parte de la física que estudia procesos en los cuales los sistemas intercambian energía o materia cuando están en EQUILIBRIO.

11 APLICACIONES DE ESTA MATERIA PRODUCCIÓN DE VAPOR ENERGÍA Y COGENERACIÓN DE GENERACIÓN DE ENERGIA FOTOVOLTAICA SISTEMA MECANICO DE REFRIGERACIÓN BOMBA DE CALOR CELDAS DE COMBUSTIBLES CALENTAMIENTO SOLAR BIOCLIMÁTICAS DESALILIZACIÓN DE AGUA LICUEFACCIÓN DE GASES CONSTRUCCIONES

12 CONCEPTOS BÁSICOS SISTEMA ENTORNO O MEDIO AMBIENTE SISTEMA ABIERTO SISTEMA CERRADO SISTEMA AISLADO PROCESOS, CICLOS Y EL EQUILIBRIO LA ENERGÍA Y LOS CAMBIOS

13 SISTEMAS

14 SISTEMAS

15 SISTEMA - MEDIO AMBIENTE W LIMITE O FRONTERA Q m SISTEMA

16 ENTORNO O MEDIO AMBIENTE es lo que rodea al sistema

17 SISTEMA ABIERTO

18 SISTEMA CERRADO

19 SISTEMA AISLADO

20 VASO DE DEWAR

21 Estos sistemas no ocurren en la naturaleza, sin embargo son importantes porque facilitan el estudio de casos generales C ARAC T E RIS T IC AS DE L S IS T E MA AIS L ADO TIENEN ENERGÍA Y MASA CONSTANTE FRONTERA RÍGIDA, no permiten el intercambio de energía mecánica; FRONTERA PERFECTAMENTE AISLADA, no permiten el flujo de calor; FRONTERA IMPERMEABLE; no permiten el intercambio de materia.

22 SISTEMA UNA BACTERIA UN HUEVO DE GALLINA UNA CÁPSULA ESPACIAL EL UNIVERSO CLASIFICACIÓN ABIERTO ABIERTO CERRADO AISLADO COMENTARIOS HAY INTERCAMBIO DE MATERIA CON LOS ALREDEDORES..COMO CALOR Y TRABAJO LA CÁSCARA DEL HUEVO PERMITE EL PASAJE DE GASES. ESTE SISTEMA TAMPOCO ES ADIABÁTICO, PUES PERMITE EL PASAJE DE CALOR DE LA NO SE MADRE PERMITE EL INTERCAMBIO DE MATERIA CON EL EXTERIOR, PERO SÍ RECIBE ENERGÍA DESDE FUERA (COMO RADIACIÓN) POR DEFINICIÓN

23 LA TERMODINÁMICA DEFINE LOS SISTEMAS MEDIANTE SUS PROPIEDADES OBSERVABLES PROPIEDADES, PARÁMETROS, VARIABLES, ETC. MEDIBLES TRAS UN PROCESO O EVENTO ES DECIR UN CAMBIO SON PROPIEDADES : PRESIÓN, LA TEMPERATURA, EL ÍNDICE DE REFRACCIÓN, VISCOSIDAD, DENSIDAD, MASA, VOLUMEN, ETC

24 PROPIEDADES BASICAS Y DERIVADAS SISTEMA M L T FUERZA TEMP V P SI Kg m s N K m3 Pa USC slug ft s lb ºR ft3 Lb/si US. lb m ft s lb ºR ft3 Lb/si CGS g cm s Dina K cm3 D/cm2 TECNICO kg m s kg f K m3 Kgf/m2

25 PROC ES OS

26 PROC ES OS

27 PROC ES OS

28 PROC ES O ES LA ACCIÓN QUE MODIFICA A UN SISTEMA CAMBIANDO DE UN ESTADO A OTRO. LA TRAYECTORIA O CAMINO SEGUIDA EN EL CAMBIO ENTRE DIFERENTES ESTADOS DARA LUGAR A DIFERENTES PROCESOS: PROCESO QUÍMICO PROCESO FÍSICO PROCESO TÉRMICO PROCE S O TE RMODINÁMICO IRRE VE RS IBLE PROCE S O TE RMODINÁMICO RE VE RS IBLE

29 P ROC E S O T E RMODIN ÁMIC O IRRE V E RS IB L E CAMBIO DE UN ESTADO METAESTABLE A UN ESTADO MÁS ESTABLE DE MENOR ENERGÍA. P ROC E S O T E RMODIN ÁMIC O RE V E RS IB L E CAMBIO DE UN ESTADO INICIAL ESTABLE A UN ESTADO FINAL TAMBIÉN ESTABLE,, PASANDO POR UNA SECUENCIA CONTINUA DE ESTADOS DE EQUILIBRIO. EN LA NATURALEZA NO EXISTEN PROCESOS PERFECTAMENTE REVERSIBLES, SE EMPLEAN SÓLO COMO MODELOS TERMODINÁMICOS.

30 C IC LOS

31 EQUILIBRIO - TRAYECTO ESTABLE - METAESTABLE

32 E QUIL IB RIO UN SISTEMA ESTÁ EN EQUILIBRIO SI NO OBSERVAMOS NINGÚN CAMBIO EN SUS PROPIEDADES TIENE DOS PARTICULARIDADES: 1. NINGUNA DE SUS PROPIEDADES CAMBIAN CON EL TIEMPO 2. RETORNARÁ AL ESTADO PRIMITIVO DESPUÉS DE HABER SIDO PERTURBADO, CUANDO SUS PARÁMETROS REGRESEN NUEVAMENTE A SUS VALORES ORIGINALES

33 CUALQUIER SISTEMA QUE TENGA GRADIENTES DE: TEMPERATURA, PRESIÓN O COMPOSICIÓN, TENDERÁ A CAMBIAR HASTA ELIMINAR ESOS GRADIENTES.

34 EQUILIBRIO TERMODINÁMICO EQUILIBRIO TÉRMICO EQUILIBRIO MECÁNICO EQUILIBRIO MATERIAL O QUIMICO

35 EQUILIBRIO ESTABLE: NIVEL DE ENERGÍA MÁS BAJO. EQUILIBRIO EQUILIBRIO METAESTABLE: REÚNE LOS ATRIBUTOS DE EQUILIBRIO, PERO NO TIENE EL NIVEL ENERGÉTICO MÁS BAJO. SÓLO SI SE SUPERA LA BARRERA DE ENERGÍA (ENERGÍA DE ACTIVACIÓN) SE ACCEDERÁ AL ESTADO ESTABLE. SISTEMA INESTABLE: EXISTEN DOS CASOS TIPO 1 REÚNE PRIMER ATRIBUTO DE EQUILIBRIO, PERO NO EL SEGUNDO.( ΙΑ29)

36 LOS SISTEMAS NATURALES TIENDEN A ESTADOS DE MÍNIMA ENERGÍA LOS COMBUSTIBLES SE AGOTAN LOS GLOBOS SE DESINFLAN LOS CUERPOS CALIENTES SE ENFRIAN LOS NEUMATICOS SE GASTAN LAS HOJAS SE MARCHITAN LA COMIDA SE DESCOMPONE LAS PERSONAS ENVEJECEN

37 La forma estable de una sustancia es diferente a diferentes condiciones. Casos 1)A + 5ºC la forma estable de H 2 O es líquida y a 5ºC es sólida. 2)A alta P y T, la forma estable de C es diamante, a baja P y T es grafito.

38 RE LACION E NTRE E L E QUILIBRIO Y LAS VARIABLE S o PROPIE DADE S DE E S TADO LOS SISTEMAS EN EQUILIBRIO TIENEN PROPIEDADES MEDIBLES. UNA PROPIEDAD ES CUALQUIER CANTIDAD QUE TIENE UN VALOR FIJO E INVARIABLE: TEMPERATURA, DENSIDAD, ÍNDICE DE REFRACCIÓN... ESTAS VARIABLES CARACTERIZAN A LOS ESTADOS DEPENDEN SÓLO DEL ESTADO ACTUAL DEL SISTEMA Y NO DE LA FORMA EN QUE SE ALCANZÓ ESE ESTADO. PROPIEDADES EXTENSIVAS PROPIEDADES INTENSIVAS PROPIEDADES ESPECÍFICAS

39 CUANDO SE HAN ESPECIFICADO LAS VARIABLES NECESARIAS PARA DESCRIBIR AL SISTEMA SE DICE QUE SE HA ESPECIFICADO EL ESTADO DEL SISTEMA. UN SISTEMA SE ENCUENTRA EN ESTADO DEFINIDO CUANDO TODAS SUS PROPIEDADES POSEEN VALORES ESPECÍFICOS. SI A SU VEZ ESTOS VALORES NO CAMBIAN CON EL TIEMPO, EL SISTEMA SE DICE QUE ESTÁ EN EQUILIBRIO TERMODINÁMICO,, PARA EL CUAL NO EXISTE UN FLUJO DE MASA O ENERGÍA.

40 LA TERMODINÁMICA DEFINE LOS SISTEMAS MEDIANTE SUS PROPIEDADES OBSERVABLES PROPIEDADES SON: PRESIÓN, LA TEMPERATURA, EL ÍNDICE DE REFRACCIÓN, VISCOSIDAD, DENSIDAD, MASA, VOLUMEN, ETC PROPIEDADES QUE PUEDEN SER INTENSIVAS, EXTENSIVAS O ESPECIFICAS

41 PROPIEDADES EXTENSIVAS Son proporcionales a la cantidad de materia considerada y por lo tanto dependen del tamaño del sistema. Son propiedades aditivas; el valor del todo es igual a la suma de las partes. Ejemplos: Volumen, Masa, Energía, Entalpía, Entropía, etc. PROPIEDADES INTENSIVAS Son independientes de la cantidad de materia (del tamaño del sistema). No son aditivas. Ejemplos: Concentración, Temperatura, Presión,etc.

42 PROPIEDADES ESPECIFICAS Son las propiedades extensivas relacionadas con la cantidad de materia. Ejemplos volumen específico, masa específica, energía específica, entalpía específica, entropía específica, etc. Pasan a ser independientes de la cantidad de materia o del tamaño del sistema).

43 TIPO RELACIONADAS CON LA MASA PROPIEDADES TERMODINÁMICAS EXTENSIVA MASA INTENSIVA DENSIDAD CONCENTRACIÓN DE UN SOLUTO P-V-T ENERGÍA TÉRMICA VOLUMEN CAPACIDAD CALORÍFICA ENERGÍA ENTROPÍA ENTALPÍA ENERGÍA LIBRE VOLUMEN ESPECÍFICO (VOL/M) VOLUMEN MOLAR (VOL/MOL) PRESIÓN TEMPERATURA CALOR ESPECÍFICO ENERGÍA ESPECIFICA ENTROPÍA ESPECIFICA ENTALPÍA ESPECIFICA POTENCIAL QUÍMICO OTRAS PROPIEDADES CONSTANTE DIELÉCTRICA ÍNDICE DE REFRACCIÓN VISCOSIDAD

44 SÓLIDOS - FLUIDOS PROPIEDADES CARACTERISTICAS MASA DENSIDAD VOLUMEN

45 CONCENTRACIÓN DENSIDAD

46 DIMENSIONES Y UNIDADES MAGNITUDES EXTENSIVAS V (volumen), E (energía), U (energía interna), A (área), M (masa molar)... Usaremos letras mayúsculas imprenta Excepciones masa y número de moles, m y n MAGNITUDES INTENSIVAS y ESPECÍFICAS v (volumen específico V /m), ρ (densidad m /V) u (energía interna específica U/m) Usaremos letras minúsculas imprenta Excepción las magnitudes intensivas puras, P y T (presión y temperatura )

47 VOLUMEN, VOLUMEN ESPECÍFICO Y DENSIDAD Volumen (V) es el espacio que ocupa una sustancia; se mide en metros cúbicos (m 3 ). Volumen específico (v) es el espacio que ocupa la unidad de masa de una sustancia; se mide en metros cúbicos por kilogramo (m 3 /kg). Densidad (ρ) es la masa de la unidad de volumen de una sustancia; se mide en kilogramos por metro cúbico (kg/m 3 ). Relaciones: v = V/ m ; ρ = m/v y v = 1/ρ

48 CONCEPTOS BÁSICOS VISTOS HASTA AHORA. SISTEMA ENTORNO O MEDIO AMBIENTE SISTEMA ABIERTO SISTEMA CERRADO SISTEMA AISLADO PROCESOS, CICLOS Y EL EQUILIBRIO LA ENERGÍA Y LOS CAMBIOS

49 CONCEPTO DE ESTADO DE AGREGACION DE LA MATERIA φ = φ ( P,T )

50 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS DENSIDAD [ρ][ ] M/V = [kg.m -3 VISCOSIDAD - [ µ ] = [Pa s] PRESIÓN [P] =[Pa] ADHERENCIA f INTERMOL - [N] COHESIÓN f ATRACCÍON [N] -3 ] TENSION SUPERFICIAL [γ][ ] =[N.m -1 CAPILARIDAD [δ][ ] [m] -1 ]

51

52 CARACTERÍSTICAS MOLECULARES GASES: : ALTO GRADO DE REPULSIÓN, SENSIBLEMENTE COMPRESIBLES, GRAN AGITACIÓN INTERMOLECULAR, ALTO NIVEL DE ENERGIZACIÓN, NO TIENEN FORMA PROPIA LIQUIDOS: : POCA COHESIÓN, GRAN ADHERENCIA, PRACTICAMENTE INCOMPRESIBLES, AGITACIÓN MOLECULAR INTERMEDIA, NIVEL DE ENERGIZACIÓN INTERMEDIO, NO TIENEN FORMA PROPIA SÓLIDOS: : ALTA COHESIÓN, RESISTEN LOS ESFUERZOS EXTERIORES, MUY BAJO NIVEL DE ENERGIZACIÓN, TIENEN FORMA PROPIA

53 ESTADO SÓLIDO: : PODEMOS VER QUE LAS MOLÉCULAS SE HALLAN DISPUESTAS EN UN VOLUMEN PEQUEÑO, SE SITÚAN ADYACENTES, UNA AL LADO DE LA OTRA, AUNQUE NO EN CONTACTO, FORMANDO GENERALMENTE UNA ESTRUCTURA. ESTADO LÍQUIDO: : LAS MOLÉCULAS SE ENCUENTRAN DIFUNDIDAS EN UN VOLUMEN MAYOR, SIN SEGUIR NINGUNA ESTRUCTURA. LA SEPARACIÓN ENTRE CADA MOLÉCULA ES MAYOR QUE EN EL SÓLIDO. ESTADO GASEOSO: : LAS MOLÉCULAS OCUPAN UN VOLUMEN MUCHO MAYOR. ES EL ESTADO EN QUE LAS MISMAS ESTÁN MÁS DISTANCIADAS

54 ESTADO DE PLASMA: : SUS COMPONENTES NO SON MOLÉCULAS, SINO PARTÍCULAS INDIVIDUALES Y NÚCLEOS DE ÁTOMOS. PARECE UN GAS, PERO FORMADO POR IONES (CATIONES - NÚCLEOS Y PROTONES, NEUTRONES Y ELECTRONES). CADA COMPONENTE DEL ESTADO DE PLASMA ESTÁ CARGADA ELÉCTRICAMENTE Y EL CONJUNTO OCUPA UN GRAN VOLUMEN. CONDENSADO DE BOSE-EINSTEIN: TODOS LOS ÁTOMOS SE ENCUENTRAN EN UN MISMO LUGAR, LA ÚNICA BOLA ROJA REPRESENTA LA POSICIÓN DONDE SE ENCUENTRAN TODOS LO ÁTOMOS, PERO NO UNO SOBRE OTRO, SINO TODOS OCUPANDO EL MISMO ESPACIO FÍSICO

55 QUE OCURRE EN UN LIQUIDO?

56 QUE OCURRE EN UN GAS? partículas encerradas en un volumen, moviéndose en forma aleatoria, y ejerciendo presión contra las paredes del recipiente. Esta presión es el resultado del impacto de las moléculas contra la pared.

57 QUE ES LA PRESIÓN?

58 PRESIÓN La presión se define como la fuerza (F) por unidad de superficie (A). En unidades SI la presión se mide en Newton por metro cuadrado (N/m2), unidad denominada Pascal (Pa). En relación con la presión atmosférica, el N/m2 resulta una unidad demasiado pequeña, por lo que se utiliza múltiplos como el: MPa y el kpa EQUIVALENCIAS: P = 0,1 MPa = 100 kpa = 1 bar = 0,987 Atm =750 mm Hg 1 atm = N/m2 = 1,01325 bar = 101,325 kpa F A

59 En el caso de los fluidos,, la presión se denomina presión hidrostática. P = P + 0 F S F P = P + 0 m.g S S P ρ.v.g = P + 0 P = P + ρ.g. h S 0

60 IMPORTANTE : PRESIÓN ABSOLUTA Y PRESIÓN MANOMÉTRICA. La presión manométrica del fluido es: ρ ρgh,, siendo ρ la densidad del líquido, g la aceleración de la gravedad y h la altura manométrica o de presión. h puede ser negativo, la presión manométrica puede ser negativa La presión absoluta del gas es la manométrica más la atmosférica, y siempre será positiva P = ρgh P = P + P > 0 man 0 man

61 INSTRUMENTOS PARA MEDIR LA PRESIÓN P = ρgh man P ATM

62 INSTRUMENTOS PARA MEDIR LA PRESIÓN ATMOSFERICA PRESIÓN ATMOSFÉRICA La presión ejercida por la columna de aire en una superficie unitaria: Donde la presión del aire es: ρ a gh,, siendo ρ a la densidad del aire, g la aceleración de la gravedad y h la altura de la columna o altura de presión.

63 ECUACION DE ESTADO LA RELACIÓN FUNCIONAL QUE ASOCIA A LAS VARIABLES DE ESTADO SE LLAMA ECUACIÓN DE ESTADO φ = φ ( x ; x ;...; x 1 2 n ) UNA ECUACIÓN DE ESTADO ES UNA RELACIÓN, ENTRE DOS O MÁS CANTIDADES FÍSICAS VALORIZABLES, QUE DESCRIBE EL ESTADO DEL SISTEMA φ = φ ( P;V ;T ;...; X f )

64 QUE ES UNA VARIABLE DE ESTADO? ES UNA CANTIDAD FÍSICA QUE PUEDE SER MEDIDA CON TODA PRECISIÓN CARACTERIZA EL SISTEMA, SIN IMPORTAR CÓMO EL SISTEMA LLEGÓ A ÉL, POR EJEMPLO: T, P y V OTROS EJEMPLOS DE VARIABLES DE ESTADO: ENERGÍA INTERNA (U), ENTROPÍA (S), ENERGÍA LIBRE DE HELMHOLTZ (F), ENERGÍA DE GIBBS (G)

65 PARA QUE UNA FUNCIÓN Φ SEA UNA FUNCIÓN DE ESTADO, ES NECESARIO Y SUFICIENTE QUE dφ SEA UNA DIFERENCIAL EXACTA φ = φ ( x ; x ;...; x 1 2 n ) 1.- dφ DEBE SER UNA DIFERENCIAL EXACTA φ φ dφ = dφ = φ 2 φ 1

66 SI UNA FUNCION Φ DEPENDE DE DOS VARIABLES DE ESTADOS, x e y ; ES DECIR Φ = Φ(x,y), PARA UN CAMBIO ELEMENTAL dφ, d, SE DEBE CUMPLIR φ = M( x,y )dx + N( x; y )dy = φ x dx + φ y dy SI LAS DERIVADAS CRUZADAS SEGUNDAS SON IGUALES, ENTONCES dφ ES DIFERENCIAL EXACTA: M( x, y ) y = N( x,y ) x 2 φ y x = 2 φ x y

67 SISTEMAS MATERIALES POSEEN DE LOS ENERGÍA MODIFICAN HACE POSIBLE SE EJERCEN MUTUAMENTE A TRAVÉS DE MODIFICAN LA ACCIONES PRODUCEN CAMBIOS

68 FIN CLASE II PROXIMA CLASE 16/MARZO/2012