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3RA SEMANASISTEMAS TERMODINAMICOSIng. Carmen RodrguezLa termodinmica (de las palabras griegas calor y potencia) es el estudio del calor, trabajo, la energa y los cambios que provocan en los estados de los sistemas.termodinmicaEs fundamentalmente una ciencia macroscpica basada en leyes generales inferidas del experimento, independiente de cualquier modelo microscpico de la materia. Su objetivo, es a partir de unos cuantos postulados (leyes termodinmicas), obtener relaciones entre propiedades macroscpicas de la materia, cuando esta se somete a toda una variedad de procesos.

Debe tenerse presente que las predicciones tericas de las magnitudes de estas propiedades estn fuera del campo de la termodinmica, su obtencin proviene del experimento y de disciplinas como la teora cintica y la mecnica estadstica que tratan directamente con las estructuras atmica y molecular de la materia.Sistema termodinmicoUn sistema termodinmico es un segmento particular del universo limitado por una superficie real o imaginaria donde se sita la materia estudiada. La distincin entre sistema y entorno es arbitraria: el sistema es lo que el observador ha escogido como objeto de estudio. El sistema ms simple se compone de una masa fija de un fluido isotrpico puro no influenciado por reacciones qumicas o camposexternos. Tales sistemas se caracterizan por las tres coordenadas mensurables: presin P, volumen V y temperatura T y se llaman sistemas PVT.

Figura 1Ejemplos de sistemas termodinmicosUna cierta cantidad de gas, un lquido y su vapor, una mezcla de dos lquidos, una disolucin, un slido cristalino, una pila, un alambre tenso, un gas dentro de un motor, una estrella, etc.

Figura 2Limites de un sistema termodinmicoPared (lmite, frontera)Es la divisin, material o no, entre el sistema y sus alrededores. A travs de la pared del sistema puede ocurrir intercambio de trabajo, calor o materia. Una pared puede ser rgida o no rgida y permeable, semipermeable o impermeable al paso de materia. Finalmente, una pared puede ser adiabtica o diatrmica (trmicamente conductora) dependiendo de si permite el flujo de calor. Una pared aislante es aquella que no permite interaccin alguna entre el sistema y sus alrededores. Un sistema rodeado por una pared rgida, impermeable y adiabtica no puede interaccionar con el medio ambiente y est aislado.

Figura 3Alrededor (vecindad, entorno, contorno, medio ambiente)Es la parte del universo que puede interaccionar con el sistema.

Universo termodinmicoPara los termodinmicos, el universo est constituido por el sistema examinado y su entorno. Por convencin, el universo termodinmico es un sistema aislado.UNIVERSO = SISTEMA + ENTORNOClasificacin de los sistemasLos lmites permiten establecer una clasificacin de los sistemas:De acuerdo a la permeabilidad de materia, calor o trabajo.

Cerrado, no intercambia materia con cualquier otro sistema, pudiendo dar o recibir energa.Abierto, cuando es posible una transferencia de materia o retiro de este, pudiendo adems intercambiar energa.Aislado, cuando no intercambia materia ni energa con cualquier otro sistema.

Figura 42. De acuerdo a la vista humana:

Homogneos, cuando son completamente uniformes (una fase), tal como un gas o una mezcla de gases, un liquido o solido y tambin una solucin donde se haya disuelto algn otro cuerpo.Heterogneo, cuando no son uniformes (mas de una fase) separadas por definidas superficies fsicas delimitadoras.Se llama fase a cada una de las partes homogneas de cualquier sistema que es separada de otra por superficies fsicas definidas.3. De acuerdo al intercambio de calor:

Adiabtico, impide el pasaje de calor y materia, aunque s permite el pasaje de trabajo.Diatrmanas o diatrmicas, son aquellas que permiten interacciones que modifiquen el grado relativo de calentamiento Propiedades fsicas de un sistemaPropiedad es cualquier magnitud fsica evaluable de un sistema, es decir medible. Cada sistema puede ser referido en funcin de un pequeo nmero de variables de estado o propiedades. Solamente pueden ser clasificadas como propiedades aquellas caractersticas del sistema que no dependen de la forma en que fue adquirida. En otras palabras, una propiedad del sistema no depende de la historia del sistema ni de su entorno, sino de las condiciones del mismo en el momento de la medida. Las propiedades pueden ser extensivas o intensivas. Propiedades Intensivas: son caractersticas de cada sustancia e independiente de su cantidad. Estas propiedades no son aditivas. Las mas comunes presin, temperatura, densidad, viscosidad, etc.

Propiedades Extensivas: dependen de la cantidad de materia del sistema. Ejemplo el volumen.TIPO EXTENSIVA INTENSIVA Relacionadas con la masaMasaDensidadConcentracin de un solutoP-V-TVolumenVolumen especfico (vol/masa)Volumen molar (vol/num.de moles)PresinTemperaturaEnerga trmicaCapacidad calorficaCalor especfico (cap.cal/masa)EnergaEnerga molarEntropaEntropa molarEntalpaEntalpa molarEnerga librePotencial qumicoOtras propiedadesConstante dielctricandice de refraccinViscosidad La energa no puede ser creada ni destruida, slo transformada de una forma a otra equivalente. Para el estudio termodinmico de los sistemas, es conveniente distinguir las diferentes formas de la energa, especialmente, la energa interna, el calor y el trabajo.Formas de intercambio de energaEnerga: Es el resultado de la suma de la energa cintica de las molculas o tomos que lo constituyen, de sus energas de vibracin, rotacin y traslacin, adems de la energa potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagntico y nuclear, que constituyen conjuntamente las interacciones fundamentales.Trabajo:

Cuando un sistema sufre una transformacin, este puede provocar cambios en su entorno. Si tales cambios implican el desplazamiento (variacin) de las fuerzas que ejerce el entorno sobre el sistema, o ms precisamente sobre la frontera entre el sistema y el entorno, entonces se ha producido trabajo. Dependiendo del origen fsico de las fuerzas aplicadas al sistema se distinguen diferentes formas de trabajo.

El trabajo tiene dimensiones de energa y representa un intercambio deenerga entre el sistema y su entorno. Por convencin se considera que eltrabajo realizado por el sistema es positivo y el trabajo efectuado sobre elsistema es negativo.

Figura 5

En el pistn se ha producido W, ya que en el ambiente exterior se ha elevado una masa m a una distancia h, realizando una fuerza contra la gravedad

Donde:Pop = presin de oposicin - presin hacia abajo

En expansin w = -En compresin w = +Figura 6Figura 7Calor: El calor, al igual que el trabajo, se considera en termodinmica como energa en trnsito a travs de la frontera que separa a un sistema de su entorno. Sin embargo, a diferencia del trabajo, la transferencia de calor se origina por una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno y el simple contacto es el nico requisito para que el calor sea transferido por conduccin. No se considera el calor que se almacena en un sistema. Cuando se le agrega energa en forma de calor a un sistema se almacena como energa cintica y potencial de las partculas microscpicas que lo integran.

La convencin de signos utilizada para una cantidad de calor Q es opuesta a la que se utiliza para el trabajo. El calor aadido a un sistema se da con un nmero positivo, en tanto que el calor extrado de un sistema se da con un nmero negativo.

Depsito de calor, es un cuerpo capaz de absorber o desprender cantidades ilimitadas de calor sin ningn cambio de temperatura. Ejemplos la atmsfera y los ocanos, un horno y un reactor nuclear en funcionamiento continuo son equivalentes a los depsitos de calor.Figura 8

Capacidades Calorficas Molares de los Gases

En general se definen como la cantidad de calor (q) necesario para elevar en un grado la temperatura del sistema.

Cuando la masa del material es un mol.Cuando la masa del material es 1 gramoCapacidad Calorfica a V=cte (Cv)

Un gas encerrado en un calormetro, no realiza trabajo de expansin, puesto que dV = 0, y el primer principio se expresa, en este caso, porEn gases se usan 2 tipos de capacidades calorficas molares.Y por tanto, la capacidad calorfica a volumen constante Cv puede definirse como:La cual establece que Cv es relacin existente entre el incremento del contenido energtico, o sea, del calor absorbido a volumen constante, y el incremento de temperatura. Se emplea la notacin de derivadas parcialesporque U es una funcin, tanto del volumen como de la temperatura y, en este caso, el volumen se mantiene constante.Demostracin para un gas monoatmicoSi T = 1,Capacidad Calorfica a P=cte

Cuando P=cte mientras se eleva la temperatura en un grado lo que da origen a que aumente el volumen del gas. El calentamiento se realiza en un recipiente abierto.Para gases ideales Cp + Cv = REn este caso, parte del calor absorbido se emplea en realizar el trabajo P.Vdurante la expansin, y el resto en aumentar la energa interna del sistema.En los gases ideales monoatmicos, la capacidad calorfica a presin constante y a volumen constante se mantiene invariable con la temperatura. Para los gases diatmicos como hidrgeno, oxgeno, nitrgeno, xido nitroso y monxido de carbono se encuentra experimentalmente que, a temperatura ambiente.Para los gases poliatmicos como el C02, NH3, Cl2, Br2, etc., las capacidades calorficas tambin varan con la temperatura y de manera diferente para cada gas. Puede darse una relacin aproximada de esta variacin en funcin del nmero de tomos en la molcula y de que sta sea o no lineal.

Figura 8Capacidades Calorficas para Gases Ideales