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Curso 2006/07Joaquín Bernal Méndez
Dpto. Física Aplicada III 1
TERMODINÁMICATema 7: Conceptos Fundamentales
Fundamentos Físicos de la Ingeniería
1er Curso Ingeniería Industrial
Fundamentos Físicos de la IngenieríaCurso 2006/07
Ingeniería IndustrialDpto. Física Aplicada III
Tema 7: Conceptos fundamentales2/27
Índice
Introducción
Sistema y entorno
Criterios macroscópico y microscópico
Coordenadas termodinámicas
Equilibrio
Procesos termodinámicos
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Ingeniería IndustrialDpto. Física Aplicada III
Tema 7: Conceptos fundamentales3/27
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
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Tema 7: Conceptos fundamentales4/27
Índice
Introducción
Sistema y entorno
Criterios macroscópico y microscópico
Coordenadas termodinámicas
Equilibrio
Procesos termodinámicos
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Tema 7: Conceptos fundamentales5/27
Sistema y entorno
Sistema: región del universo que aislamos para estudiarla
Entorno
Sistema
Frontera
masa y energía
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Tema 7: Conceptos fundamentales6/27
Clasificación de los sistemas
Abierto: existe transferencia de materia y energía entre sistema y entorno
Ejemplos: turbina; organismo vivo.
Cerrado: sólo hay transferencia de energíaEjemplo: gas encerrado en recipiente con paredes móviles
Aislado: no hay intercambio de materia ni energía
Ejemplos: universo; sistema junto con su entorno
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Tema 7: Conceptos fundamentales7/27
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
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Tema 7: Conceptos fundamentales8/27
Índice
Introducción
Sistema y entorno
Criterios macroscópico y microscópico
Coordenadas termodinámicas
Equilibrio
Procesos termodinámicos
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Tema 7: Conceptos fundamentales9/27
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
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Tema 7: Conceptos fundamentales10/27
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
No medibles
Gas
PesoPistón
• Velocidad media
• Tiempo promedio entre colisiones
• etc..
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Tema 7: Conceptos fundamentales11/27
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
Gas
PesoPistón
P, V, T
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Tema 7: Conceptos fundamentales12/27
Índice
Introducción
Sistema y entorno
Criterios macroscópico y microscópico
Coordenadas termodinámicas
Equilibrio
Procesos termodinámicos
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Tema 7: Conceptos fundamentales13/27
Coordenadas termodinámicas
Magnitudes macroscópicas útiles para determinar el estado de un sistema
Ejemplos: presión, volumen, masa, temperatura…
También: propiedades del sistema
Normalmente un subconjunto de estas coordenadas termodinámicas es suficiente para caracterizar el estado del sistema:
Coordenadas de estado óvariables de estado
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Coordenadas termodinámicas
Propiedades extensivas: su valor depende de las dimensiones del sistema
Propiedades intensivas: su valor no depende de la masa ni del volumen del sistema
P, T, V, ρ, mP, T, ρ P, T, ρV/2m/2
V/2 m/2
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Coordenadas termodinámicas
Las propiedades extensivas pueden expresarse por unidad de masa: magnitudes específicas
Ejemplo: volumen específico:
También pueden expresarse por unidad molar: magnitudes molares específicas
Ejemplo: volumen molar:
Las magnitudes específicas son intensivas
Vv
m=
0
Vv
n=
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Tema 7: Conceptos fundamentales16/27
Coordenadas termodinámicas
Tienen un significado macroscópicoCarece 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
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Tema 7: Conceptos fundamentales17/27
Índice
Introducción
Sistema y entorno
Criterios macroscópico y microscópico
Coordenadas termodinámicas
Equilibrio
Procesos termodinámicos
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Tema 7: Conceptos fundamentales18/27
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 entornoEl equilibrio termodinámico implica:
Equilibrio térmicoEquilibrio mecánicoEquilibrio de fasesEquilibrio químico
Las propiedades de un sistema solamente están definidas con claridad dentro del equilibrio
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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:
Ejemplos:Gas ideal:
Gas de Van der Waals:
( , , ) 0f P V T =
Gas
PesoPistón
PV nRT=
( )22
aP n V nb nRT
V⎛ ⎞+ − =⎜ ⎟⎝ ⎠
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Tema 7: Conceptos fundamentales20/27
Equilibrio: ecuación de estado
Ejemplo: sistema hidrostático puro, sistema simple compresible ó sistema PVT
Gas
PesoPistón
Coordenadas termodinámicas: P, V, T, ρ,…
Ecuación de estado:
Dos coordenadas describen el estado del sistema
( , , ) 0f P V T =
Coordenadas de estado
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Tema 7: Conceptos fundamentales21/27
Equilibrio: ecuación de estado
Ejemplo: hilo estirado
Coordenadas termodinámicas: F, L, T, densidad lineal…
Ecuación de estado:
Dos coordenadas describen el estado del sistema
L
F
( , , ) 0f F L T =
Coordenadas de estado
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Tema 7: Conceptos fundamentales22/27
Índice
Introducción
Sistema y entorno
Criterios macroscópico y microscópico
Coordenadas termodinámicas
Equilibrio
Procesos termodinámicosFunciones de estado
Procesos cuasi-estáticos
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Tema 7: Conceptos fundamentales23/27
Procesos termodinámicos
Cuando cambia alguna propiedad del sistema, el estado del sistema cambia
Tipos especiales de procesos:Isotermo: la temperatura permanece constante
Isóbaro: la presión permanece constante
Isocoro: el volumen permanece constante
Proceso termodinámico
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Tema 7: Conceptos fundamentales24/27
Funciones de estado
Toda magnitud cuya variación en un proceso depende exclusivamente del estado inicial y el estado final: Matemáticamente: toda magnitud que puede expresarse como una función de las variables de estado
Ejemplos: energía interna, entalpía, volumen,…No son funciones de estado el calor y el trabajo
Las propiedades de un sistema son, por definición, funciones de estado
2 1Y Y Y∆ = −
( , )Y Y P T=
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Tema 7: Conceptos fundamentales25/27
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
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Tema 7: Conceptos fundamentales26/27
Procesos cuasi-estáticos
Un proceso cuasi-estático puede representarse en una gráfica (sucesión de puntos de equilibrio):
P
V
1
2 P
T
1
2
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Tema 7: Conceptos fundamentales27/27
Resumen
La termodinámica clásica estudia el estado macroscópico de los sistemas y cómo les afectan las transformaciones energéticasEl estado del sistema viene determinado por el valor de sus propiedades ó coordenadas termodinámicasEn un sistema en equilibrio existe una ecuación de estado:propiedades no son independientesLas propiedades necesarias y suficientes para determinar el estado del sistema: coordenadas de estadoCuando un sistema cambia de estado sufre un proceso termodinámicoLas funciones de estado son aquellas magnitudes cuya variación en un proceso sólo depende del estado inicial y el estado inicial, pero no de la forma en que se realiza el procesoLas propiedades de un sistema son funciones de estadoUn proceso cuasi-estático es aquel en el que el sistema se encuentra siempre en equilibrio (irrealizable en la práctica)