TERMODINAMICA
TERMODINAMICA
DEFINICIÓN:
Campo de la física que describe y relaciona las propiedades
físicas de sistemas macroscópicos.
PROPIEDADES FISICAS:
MEDIBLES: temperatura, volumen, presión, masa
DERIVADAS: densidad, calor específico, capacidad calórica.
Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de
equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso
termodinámico.
TERMODINAMICA
• CALOR
– Es una forma de energía, la “energía vibracional” que tienen las
partículas de un cuerpo (particularmente los electrones).
– Magnitud cuantitativa que expresa la cantidad de “energía
vibracional” que tienen las partículas de un cuerpo.
• TEMPERATURA:
– Magnitud de intensidad, valor medio de esta energía en las
moléculas.
CALOR Y TEMPERATURA
ENERGIA VIBRACIONAL
1. Energía cinética.
2. Manifestada en:
a) Frecuencia
b) Amplitud.
3. Se opone a las fuerzas de
atracción:
a) Dilatación
b) Expansión.
CALORIA
En la práctica cuantificar el calor sólo es posible en
términos relativos (comparativos)
Esto se debe a que cada sustancia se comporta de diversa
manera frente al calor dependiendo de su
CAPACIDAD CALÓRICA
CALOR ESPECÍFICO
CALORIA: "cantidad de calor" necesaria para
elevar en un grado de temperatura, un
gramo (masa) de materia: 1 cal ® 1ºC.1 g
CAPACIDAD CALORICA
La relación directamente proporcional
entre la variación de la cantidad de calor
(DQ) y la variación de temperatura (DT)
Calor añadido por unidad de aumento de temperatura
CALOR ESPECÍFICO
Corresponde a la capacidad calórica por unidad de
masa
Tanto capacidad calórica de un cuerpo como calor específico del material
dependen de la situación del intervalo de temperatura escogido.
Sin embargo, dentro de una amplitud térmica determinada sin cambio
de estado, podemos tomar esos valores como constantes.
TRANSMISIÓN DEL CALOR
CONDUCCIÓN:
Transmisión entre sólidos.
En un sistema aislado de 2 sólidos a distintas Temperaturas la
conducción se puede medir fidedignamente de modo que se
cumple que:
TRANSMISIÓN DEL CALOR
CONVECCION
Al calentar un líquido o gas, su densidad suele disminuir, el
fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el
fluido más frío y más denso desciende.
TRANSMISIÓN DEL CALOR
RADIACION
El calor es una onda electromagnética por tanto no precisa
de contacto con materia para propagarse (vacío).
EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR
Joule utilizó un aparato en el cual unas pesas, al caer,
hacían girar un conjunto de paletas sumergidas en agua.
La pérdida de energía mecánica (debido al rozamiento) se
calculaba conociendo las pesas y las alturas de las cuales
caían.
La energía calórica equivalente era determinada a través
de la masa de agua y su aumento de temperatura.
El resultado fue: 1 kcal = 1000 cal = 4186 joules.
1 Kcal = 4186 J , 1 cal = 4,186 J , 0,24 cal = 1 J
CALOR Y TRABAJO
Pesa hizo un trabajo mecánico, trasformando energía
potencial en energía cinética.
En fórmulas:
W= |F|d = m|a|d
EPG = mgh (masa x 9,8 x altura).
El calor contenido se traducirá en PRESIÓN.
Si la pared se hiciera extensible, la presión produciría un
CAMBIO DE VOLUMEN. Por tanto, haciendo las relaciones:
CALOR Y TRABAJO
• Por lo tanto:
– Calor: Transferencia de energía debida a una diferencia de
temperatura.
– Trabajo: Es una transferencia de energía que no se debe a
una diferencia de temperatura.
• Para entender cómo el calor afecta un sistema de modo de
convertirlo en trabajo, analizaremos la dinámica de los gases.
LEY DE BOYLE-MARIOTTE
A temperatura constante, los volúmenes de una masa gaseosa
son inversamente proporcionales a las presiones que soporta
LEY DE CHARLES-GAY LUSSAC
a presión constante, los volúmenes de una
masa de gas son directamente proporcionales
a las respectivas temperaturas absolutas
LEY DE AVOGADRO
Volúmenes iguales de distintas sustancias gaseosas, medidos en las
mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo
número de partículas
N= 6.022 x 1023 = 1 mol
De acuerdo con la Ley de Avogadro, el
volumen ocupado por un mol de cualquier gas
es el mismo a una temperatura y presión fijas.
Cuando T = 0°C y P = 1 atm, este volumen es
de 22.4 L.
Vm = 22.4 lts a PTs
V = n.Vm
LEY GASES IDEALES
TEORIA CINÉTICA MOLECULAR
1)
2)
3)
4)
5)
Gases consisten en enorme cantidad de partículas.
Son pequeñísimas (volumen despreciable)
No interactúan entre ellas
Energía elástica inagotable (a T constante)
Energía promedio proporcional a T absoluta.
TEORIA CINÉTICA MOLECULAR
• PRESION:
– Secundaria a colisiones
contra las paredes.
– Magnitud promedio del
momentum de todas las
partículas
• TEMPERTURA
– Es una medida de la
energía
cinética
promedio.
TEORIA CINÉTICA MOLECULAR
Si Temperatura es constante y
aumenta Volumen, la velocidad
media no va a cambiar, por ende
las colisiones se reducirán (Boyle).
Si Temperatura aumenta, la
velocidad media también lo hará,
Por tanto aumentará la Presión,
que llevará a aumentar el Volumen
(Charles)
TEORIA CINÉTICA MOLECULAR
• Esta energía cinética constituye el componente
más dinámico, pero no el único, de la energía
interna del sistema.
• La energía interna (o térmica) es la energía total
de todas las moléculas del objeto, o sea incluye:
– Energía cinética: de traslación, rotación y vibración de
las moléculas.
– Energía potencial: en partículas (E=mc2) y energía
potencial entre partículas (energía química).
TEORIA CINÉTICA MOLECULAR
• Bajo esta visión:
– La temperatura es una medida de la energía
cinética media de las moléculas individuales.
– El calor es una transferencia de energía, como
energía térmica, de un objeto a otro debida a una
diferencia de temperatura.
LEYES DE LA TERMODINAMICA
• Nacen del estudio de máquinas térmicas
(calderas a vapor, motores de combustión
interna).
• Integran los conceptos de Calor y Trabajo
como equivalentes.
• Modelo de estudio: Sistema físico.
LEY CERO
• Si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico
con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre
sí.
• El equilibrio corresponde a la energía cinética promedio de las
partículas que lo componen, es decir la temperatura.
• Un sistema que interactúa libremente con el ambiente
tenderá a equilibrarse con el mismo (igualará las
temperaturas).
PRIMERA LEY
• LEY DE CONSERVACION DE LA ENERGÍA
Al agregar calor a un sistema, el cambio de
energía del mismo será igual al calor en el
sistema menos el trabajo que realice
(expansión).
El calor queda en el sistema. El trabajo sale
hacia el entorno
ΔE = Q - W
PRIMERA LEY
• Al agregar calor a un sistema, el cambio de
energía del mismo será igual al calor en el
sistema menos el trabajo que realice
(expansión)
• El calor queda en el sistema. El trabajo sale
hacia el entorno.
• ΔE = Q - W
SEGUNDA LEY
No es posible para una máquina cíclica llevar
continuamente calor de un cuerpo a otro que esté a
temperatura más alta. La dirección se puede invertir
solamente por medio de gasto de un trabajo.
El calor sólo sigue un sentido: La gradiente de temperatura.
Por lo tanto, ES POSIBLE CONVERTIR CALOR EN TRABAJO,
pero ES IMPOSIBLE CONVERTIR COMPLETAMENTE TRABAJO
EN CALOR, sin modificar los alrededores.
Todo sistema, por ende, tenderá a perder siempre una parte
de su energía como ENTROPÍA (desorden) .
SEGUNDA LEY
Maquina Térmica Real
Entropía > 0
Maquina Térmica Ideal
Entropía = 0
Refrigerador
SEGUNDA LEY
SEGUNDA LEY
A priori, no es posible establecer el grado de entropía que contiene un
sistema, sólo se rebela frente a un cambio en el estado de equilibrio del
sistema.
Lo mismo ocurre con la ENTALPIA (trabajo útil) y con la energía liberada.
SEGUNDA LEY
•La condición de equilibrio es
•La condición de espontaneidad es
•El proceso no es espontáneo cuando:
TERCERA LEY
• A 0 absoluto, en un sólido cristalino perfecto, la
entropía será 0 (no hay desorden).
• Alcanzar
esa
temperatura
es
imposible
prácticamente, debido al calor que entra del “mundo
exterior.”
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