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Termodinamica: Conceptos Fundamentales
Olivier Skurtys
Departamento de Ingenierıa MecanicaUniversidad Tecnica Federico Santa Marıa
Email: [email protected]
Santiago, 13 de abril de 2012
Presentacion
1 Introduccion
2 Transferencia de energıa
3 Equilibrio termodinamico
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Introduccion
1 IntroduccionLa termodinamica: generalidadesDefinicion de un sistema termodinamicaSistemas cerrados, sistemas abiertos
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
La termodinamica: generalidades
1 IntroduccionLa termodinamica: generalidadesDefinicion de un sistema termodinamicaSistemas cerrados, sistemas abiertos
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
La termodinamica: generalidades
La termodinamica nacio en el siglo XIX de la necesidad decomprender el funcionamiento de las maquinas producida alempieza del area industrial
En razon del caracter universal de los principios desarrollados,la termodinamica se usa hoy dıa en:
dominios de la fısica donde el calor juega un papelimportante (electromagnetismo, optica, . . . )
otras disciplinas cientıficas (quımica, biologıa, . . . )
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
La termodinamica: generalidades
La termodinamica a por objeto principal el estudio defenomenos:
mecanicos (trabajo, presion, . . . )
acoplados a los fenomenos termicos (calor, temperatura,. . . )
Estos dos fenomenos seran considerados del punto de vistamacroscopicos
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La termodinamica: generalidades
Sistemas macroscopicos
Definicion
Un sistema macroscopico, S, es una coleccion de objetos(atomos, moleculas, electrones, fotones, . . . ) en un numero muygrande generalmente del orden del numero de Avogadro(Na = 6, 02 × 1023).
Debido a la gran cantidad de objetos, es imposible describir elmovimiento de cada objetos para describir el comportamientodel sistema S!
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La termodinamica: generalidades
Dos metodos son utilizados para describir el estado del sistema(y su evolucion):
La termodinamica ✭✭estadıstica✮✮ (fısica estadıstica) quetrata de predecir el comportamiento termodinamico desistemas macroscopicos a partir de consideracionesmicroscopicas de las partıculas formantes, utilizando paraello herramientas estadısticas junto a leyes mecanicas.
La termodinamica ✭✭clasica✮✮ o ✭✭macroscopica✮✮. El sistema esdescrito a la escala macroscopica por magnitud estadısticas(volumen, presion, temperatura, concentraciones, . . . ) queson valores promedios que da cuenta del comportamientode las diversas partıculas constituyendo el sistema.
En estas clases vamos estudiar la termodinamica clasica
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La termodinamica: generalidades
Comentarios
1 Tomamos como ejemplo, un cubo de 1mm3 lleno de aire. Sifijamos la temperatura a 20◦C y la presion 105Pa, el cubocontiene alrededor de 1016 moleculas.
Este gran numero demuestra la posibilidad describir elsistema (el cubo) de manera macroscopica.
2 las nociones de presion y temperatura seran definida masadelante.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Definicion de un sistema termodinamica
1 IntroduccionLa termodinamica: generalidadesDefinicion de un sistema termodinamicaSistemas cerrados, sistemas abiertos
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Definicion de un sistema termodinamica
La resolucion de todo problema de termodinamica empezarapor la definicion precisa del sistema a estudiar.
Se debe definir sin ambiguedad:
lo que pertenece al sistema
lo que es a fuera del sistema.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Definicion de un sistema termodinamica
Frontera de un sistema termodinamica
En el momento que hablamos de aislar una porcion de unsistema surge automaticamente el concepto de frontera, a saber,el mecanismo que lo separa del medio exterior.
Eso necesita definir una frontera que separa la materia (laspartıculas) incluida en el sistema y la materia situada alexterior del sistema.
Para que no hay ambiguedad sobre la definicion del sistema,esta frontera debe ser una superficie. Es decir que su espesordebe ser nula.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Definicion de un sistema termodinamica
Comentarios
Las fronteras son las paredes delrecipiente contenedor, unamembrana superficial, un trozo demetal, . . .
Sin embargo, puede darse el casoque la frontera sea una superficieabstracta. Por ejemplo: la porcionde un fluido aislada del resto delmismo.
El sistema termodinamico S y sus fronteras estan determinadossolamente por el ingeniero (Uds.)
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Definicion de un sistema termodinamica
Ejemplo 1: Globo aerostatico de aire caliente
Supongamos que estudiamos el ascension de un globoaerostatico.
El globo es compuesto por una bolsa (impermeable) queencierra una masa de gas mas ligero que el aire.
Antes de comenzar el estudio se debe determinar si el sistemaconsiderado es:
el gas solo
o el gas mas la bolsa
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Definicion de un sistema termodinamica
En el primer caso, la frontera del sistema es la paredinterior de la bolsa
En el segundo caso es la pared exterior.
Ninguna de estas definiciones el verdad o falsa. Eso va dependerdel objetivo del estudio.
◮ Pero decir que la frontera del sistema es la bolsa, no esaceptable
Por que eso conduce a una ambiguedad sobre la
definicion del sistema:
la bolsa (objeto de materia de espesor no nula, entoncescoleccion de partıcula)es en el sistema o a fuera del sistema???
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Definicion de un sistema termodinamica
Ejemplo 2: Estanques en comunicacion
La frontera de un sistema no corresponde necesariamente a unobjeto material. Puede ser una superficie abstracta.
Consideramos el dispositivo, constituido de 2 estanques llamadoE1 y E2 separado por una valvula.
Inicialmente la valvula escerrada, E1 contiene N
moles de gas y E2 es vacıo.
Cuando se abre la valvula,una parte del gas contenidoen E1 va en E2
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Definicion de un sistema termodinamica
Segun los objetivos del estudio, se puede definir dos sistemas:
Sistema A: el gas contenido en los dos estanques E1 y E2
En este caso la frontera del sistema es la pared interior delos dos estanques.
Sistema B: el gas contenido solamente en E1.
En este caso cuando la valvula es abierta, la separacionentre E1 y E2 es una superficie abstracta.No es un problema: nada nos impide de distinguir por elpensamiento un grupo de moleculas y estudiar este sistema.
Notamos que si elegimos el sistema B, el gas contenido en E2
hace parte del medio exterior.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Sistemas cerrados, sistemas abiertos
1 IntroduccionLa termodinamica: generalidadesDefinicion de un sistema termodinamicaSistemas cerrados, sistemas abiertos
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Sistemas cerrados, sistemas abiertos
Definicion
Sistema cerrado
Un sistema es cerrado si sus fronteras son tales que queningun masa puede se escapar o entrar en el sistema, perolos intercambios de energıa con el medio externo
son posibles.
La totalidad de su frontera es impermeable.
Sistema abierto
Un sistema es abierto si puede se transformar enintercambiando de la materia y de la energıa con el medioexterno.Se necesita a lo menos una parte de la frontera permeable.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Sistemas cerrados, sistemas abiertos
Un ejemplo de sistemas
Cerrado Abierto
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Sistemas cerrados, sistemas abiertos
Definicion
Sistema aislado
Un sistema aislado es un sistema donde las fronteras impidecualquier intercambio de energıa y materia con el medioexterno.
El unico sistema verdaderamente aislado es el universo.
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Sistemas cerrados, sistemas abiertos
Resumen
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Transferencia de energıa entre S y su medio externo
2 Transferencia de energıaEl calor QDiferencia entre calor Q y temperatura T
Escala de la temperaturaEl trabajo W
Algunas definiciones suplementarias
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Un sistema termodinamica puede intercambiar energıa con elmedio exterior bajo dos formas:
Trabajo
Calor
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
El calor Q
2 Transferencia de energıaEl calor QDiferencia entre calor Q y temperatura T
Escala de la temperaturaEl trabajo W
Algunas definiciones suplementarias
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
El calor Q
Que es el calor?
La materia esta compuesta de atomos y moleculas
Los atomos y las moleculas esten en constante movimiento- rotando alrededor de si mismas, vibrando o chocandoseunas con otras.
El movimiento de los atomos y moleculas crea una forma deenergıa llamada calor (notada Q) o energıa termica.
Esta forma de energıa, el calor, es presente en todo tipo demateria.
Incluso en el espacio intergalactico que esta muy cerca delvacıo total, hay materia que posee calor, muy pequeno peromedible.
La unidad del calor (Q) definida por el Sistema Internacional deUnidades es el julio (J): [Q] =J.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
El calor Q
Que es el calor?
Sabemos que la energıa puede presentarse de muy diferentesformas y tambien puede cambiar de una a otra.⇒ Muchos tipos de energıa pueden convertirse en calor. Laenergıa:
electromagnetica (luz),
mecanica,
quımica,
nuclear,
y la termica
pueden calentar una sustancia haciendo que se incremente lavelocidad de sus moleculas.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
El calor Q
Un ejemplo
1 La energıa mecanica se convierte en calor
Antes Despues
Imagen termica infrarroja de una pelota de tenis antes(izquierda) y despues (derecha) de ser golpeada por la raqueta.
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El calor Q
Otros ejemplos
Ejemplos:
2 La energıa electrica se convierte en calor (o energıatermica) cuando usamos estufas electricas, tostadores, . . .
3 Nuestros cuerpos convierten a energıa quımica de losalimentos que comemos en calor.
4 . . .
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
El calor Q
Comentarios
Dos principios importantes:
i) Principio del intercambio de calor
Cuando hay intercambio de calor entre dos cuerpos, la cantidadde calor ganado por uno es igual a la cantidad de calor perdidapor el otro.
Comentario: Por eso, necesitamos que el intercambio de calor seacompanan de ningun trabajo.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
El calor Q
Concepto de Calor
ii). Principio de los procesos inversos
La cantidad de calor que se necesita dar a un cuerpo para pasarde un estado inicial 1 a un estado final 2 es igual a la cantidadde calor que cede para volver del estado 2 al estado 1.
Ejemplo: El agua que se calienta de 10◦C a 40◦C absorba unacantidad de calor igual a la que se devuelve cuando se enfrıa de40◦C a 10◦C.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
El calor Q
Convenio de signos
El criterio de signos de los intercambios de energıa (calor) entreun sistema y su entorno es el siguiente:
Q > 0: calor comunicado al sistema desde el entorno.
Q < 0: calor retirado del sistema hacia el entorno.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
El calor Q
Definicion
Podemos definir:
La velocidad de transferencia de calor es el calor porunidad de tiempo:
Q =δQ
dt[J.s−1 ≡ W] ⇒ Q =
∫ t2
t1
Qdt (1)
El flujo de calor es el calor transmitido por unidad de area:
q =δQ
dA[J.s−1.m−2 ≡ W.m−2] ⇒ Q =
∫∫AqdA (2)
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Diferencia entre calor Q y temperatura T
2 Transferencia de energıaEl calor QDiferencia entre calor Q y temperatura T
Escala de la temperaturaEl trabajo W
Algunas definiciones suplementarias
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Diferencia entre calor Q y temperatura T
Concepto de Temperatura
Sin embargo, los atomos y moleculas en un cuerpo no siemprese mueven a la misma velocidad. Esto significa que hay unrango de energıa (energıa de movimiento) en las moleculas.
Definicion
La temperatura es una medida del calor o energıa termica delas partıculas en un cuerpo.
La temperatura no depende del numero de partıculas en unobjeto y por lo tanto no depende del tamano del objeto:
La temperatura de un iceberg o de un hielo de refrigeradorpueden ser igual!!!
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Diferencia entre calor Q y temperatura T
Diferencia entre calor y temperatura
El calor y la temperatura estan relacionadas entre si, peroson conceptos diferentes.
El calor depende de la velocidad de las partıculas, sunumero, su tamano y su tipo.La temperatura no depende del tamano, del numero o deltipo.
En efecto
El calor es la energıa total del movimiento molecular en unasustancia, mientras temperatura es una medida de la energıamolecular promedio.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Diferencia entre calor Q y temperatura T
Comentarios
El calor es lo que hace que la temperatura aumente odisminuya.
Si anadimos calor, la temperatura aumenta. (Si Tր lasmoleculas se mueven, vibran y rotan mas)Si quitamos calor, la temperatura disminuye.
La temperatura no es energıa sino una medida de ella, sinembargo el calor sı es energıa.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Escala de la temperatura
2 Transferencia de energıaEl calor QDiferencia entre calor Q y temperatura T
Escala de la temperaturaEl trabajo W
Algunas definiciones suplementarias
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Escala de la temperatura
1 Grado Celsius
Originalmente se asigno:
la valor 0 a la temperatura de un mezcla de agua-hielo bajouna presion de 1 atm
la valor 100 a la temperatura de ebulicion del agua bajouna presion de 1 atm
Unidad: El grado Celsius, ◦C (no ∈ al Sistema Internacional deUnidades)
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Escala de la temperatura
2 Grado Fahrenheit
Originalmente se asigno:
la valor 32 a la temperatura de un mezcla de agua-hielobajo una presion de 1 atm
la valor 212 a la temperatura de ebulicion del agua bajouna presion de 1 atm
Unidad: El grado Fahrenheit, ◦F (no ∈ al Sistema Internacionalde Unidades, SI)
Conversion
T (◦C) = T (F )−321,8
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Escala de la temperatura
3 La escala absoluta de Kelvin
La escala absoluta puede explicar el comportamiento de lamateria, tanto a nivel microscopico (velocidad, la energıa de losatomos o moleculas) que al nivel macroscopica (presion,volumen .....). Se asigno:
T = 0K (-273,15 ◦C): agitacion mınima de los atomos
T = 273, 16K (0,01 ◦C): Punto triple del agua (coexisten enequilibrio el estado solido, el estado lıquido y el estadogaseoso bajo una presion de 612 Pa).
Unidad: El grado Kelvin, K (nunca ◦K), (∈ al SI)
Conversion
T (◦C) = T (K)− 273, 15
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Escala de la temperatura
Como medir la temperatura?
Para medir la temperatura de un cuerpo:
tiene que conectarlo a un fenomeno medible, constante,ligada a los cambios en la temperatura del cuerpo.
El fenomeno debera ser ademas continuo.
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Escala de la temperatura
(A) Termometro a dilatacion deliquido
(B) Termocuplas
(C) Termistor ( resistividad) (D) Pirometro
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Escala de la temperatura
(E) Camara infrarroja (F) Termometro a gas
(G) Bimetal
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El trabajo W
2 Transferencia de energıaEl calor QDiferencia entre calor Q y temperatura T
Escala de la temperaturaEl trabajo W
Algunas definiciones suplementarias
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
El trabajo W
Definicion
Definicion
El trabajo es un intercambio de energıa que proviene deldesplazamiento del punto de aplicacion de una fuerza, ejercitadapor el medio exterior, sobre el sistema termodinamica.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
El trabajo W
Definicion
Por definicion el trabajo se escribe:
W =
∫ 2
1
~F . ~dx =
∫ 2
1Fdx cos(α) (3)
Si ~F y ~dx son colineales:
α = 0 ⇒ W =
∫ 2
1Fdx (4)
Si ~F y ~dx son colineales y ~F =Cte:
⇒ W =
∫ 2
1Fdx = F
∫ 2
1dx = F (x2 − x1) (5)
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El trabajo W
Vocabulario
Hablamos de trabajo mecanico si las fuerzas producen untrabajo de origen mecanico:
fuerzas de contacto
tension superficial
presion,
. . .
Las fuerzas que se ejerce sobre un sistema termodinamicapueden tener otras cosas:
electrica,
magnetica.
. . .
Se hablara entonces de trabajo electrico, de trabajo magnetico,. . .
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El trabajo W
Convenio de signos
El objeto de estudio de la Termodinamica es el sistema, y masconcreto (por razones historicas) los sistemas productores deenergıa.
Por esta razon, el convenio de signos empleado es elcontrario al de la Mecanica:
Convenio de signos
W > 0: trabajo realizado por el sistema hacia el entorno
W < 0: trabajo realizado sobre el sistema desde el entorno
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El trabajo W
Resumen del convenio de signos
En el caso de un intercambio de calor Q y de trabajo W con elsistema S
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
El trabajo W
Sin embargo: el convenio de signos
Existe dos convenciones en termodinamica para evaluar losintercambios de energıa (trabajo) entre un sistema y su entorno
La convencion tradicional, segun la cual el trabajosera positivo cuando es realizado por el sistema.
La convencion llamada criterio del banco
recomendada por la IUPAC (International Union of Pureand Applied Chemistry
La convencion recomendada es:
Positivo para el trabajo y el calor entregado al sistema:W > 0 y Q > 0
Negativo para el trabajo y el calor cedido por el sistema:W < 0 y Q < 0
En estas clases vamos a usar la convencion tradicional.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Algunas definiciones suplementarias
2 Transferencia de energıaEl calor QDiferencia entre calor Q y temperatura T
Escala de la temperaturaEl trabajo W
Algunas definiciones suplementarias
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Algunas definiciones suplementarias
Propiedades de las fronteras de un sistema
El grado de interaccion entre el sistema S y sus alrededoresdependera de la naturaleza de las fronteras (paredes).
Existe 2 tipos de fronteras (paredes):
Las fronteras (o paredes) adiabaticas
Son aquellas que impiden el intercambio de calor entre elsistema y sus alrededores. No permiten que un sistemamodifique su grado relativo de calentamiento.
Ejemplos materiales casi adiabaticos: lana de vidrio, plumavit,la madera, el asbesto, . . .
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Algunas definiciones suplementarias
y las fronteras:
Fronteras (Paredes) diatermicas
Son aquellas que no son adiabaticas, i.e. que conducen la calor.Permiten interacciones que modifiquen el grado relativo decalentamiento.
Por ejemplo de frontera diatermicas: los metales, . . .
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Algunas definiciones suplementarias
Comentarios
No confundir:
pared termicamente aislada: es decir pared adiabatica
sistema aislada: es decir pared adiabatica y impermeable
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Algunas definiciones suplementarias
Un ejemplo
En el caso del globo aerostatico de aire caliente por el sistematermodinamico: bolsa + aire.
Si la bolsa es impermeable, tenemos un sistema cerrado
Pero esta bolsa no es necesariamente adiabatica, por que lapared es demasiada delgada para no dejar pasar el flujo decalor.
Ademas esta pared puede se deformar:
y vamos a tener tambien un intercambio de trabajomecanico.
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Algunas definiciones suplementarias
Un ejemplo
Entonces el sistema constituido del gas encerrado en la bolsa noes aislado:
hay intercambio de calor con el medio exterior (fronteradiatermica)
y de un trabajo mecanico (frontera movil)
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Equilibrio termodinamico
3 Equilibrio termodinamicoEstado estacionarioEquilibrio termodinamico
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Estado estacionario
3 Equilibrio termodinamicoEstado estacionarioEquilibrio termodinamico
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Estado estacionario
El estado de un sistema es dicho estacionario si todas lasmagnitudes que caracterizan el sistema se quedan constante enel tiempo.
Al contrario, si una o varias variables del estado cambian en eltiempo, se dice que el sistema realiza una transformacion (oevoluciona)
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Equilibrio termodinamico
3 Equilibrio termodinamicoEstado estacionarioEquilibrio termodinamico
Introduccion Transferencia de energıa Equilibrio termodinamico
Equilibrio termodinamico
Un sistema es en equilibro termodinamico si hay ausencia detodo intercambio con el medio exterior, su estado esestacionario.