termodinamica_claudia 1.pdf

8/19/2019 Termodinamica_Claudia 1.pdf

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Claudia Patricia Parra Medina

Ms.C. Ingeniería Mecánica

Termodinámica


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Termodinámica

La termodinámica estudia todas las

transformaciones físicas y químicas de la materia

en todos sus estados: sólido, líquido, gaseoso y

plasma

Está relacionada con las variaciones en latemperatura y los cambios de estado que se

producen como consecuencia de la transferencia

de energía entre un sistema y su entorno


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Aristóteles “Base del Universo”

Apogeo de la Termodinámica

Siglo XIX.Revolución/desarrollo industrial

Con la mejora de

rendimientos/eficiencias

en máquinas térmicas

http://www.existedios.com/GratisDibujosSimbolosReligiososCatolicosCristianosBiblicos/GaleriaDibujosAmigosCristianosyCatolicos_Clipart/ClipartReligiososCatolicos/ImagenesJovenesYFamilias/Trabajo01.gifhttp://www.existedios.com/GratisDibujosSimbolosReligiososCatolicosCristianosBiblicos/GaleriaDibujosAmigosCristianosyCatolicos_Clipart/ClipartReligiososCatolicos/ImagenesJovenesYFamilias/Trabajo01.gif


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Termodinámica

Ciencia macroscópica que estudia las relaciones

entre las diferentes propiedades de equilibrio de

un sistema y los cambios en las propiedades deequilibrio de los procesos.

Palabras griegas: calor y movimiento: Cienciaque estudia el calor, el trabajo, la energía y los

cambios que ellos producen en los estados del

sistema.


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Fundamentos Básicos de

Termodinámica

Algunos conceptos básicos

Sistema

Parte del universo que arbitrariamente separamos para estudiar el

intercambio de Energía que éste tiene con el resto del universo (Entorno)

Sistema

Entorno

Frontera

Universo


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Termodinámica

Abierto

Masa y EnergíaIntercambio :

Cerrado

Energía

Aislado

Nada

Vapor de agua

Calor Calor


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TermodinámicaUn sistema puede estar separado de su medio ambiente por varios tipos

de paredes o Limites o frontera, las cuales puede ser:

Permeables

- Intercambio de materia

- Intercambio de Energía

Sistema

EntornoFrontera

Impermeables

- No hay intercambio de materia

- Intercambio de Energía

a) Permeables o

Semipermeables

b) Impermeables o Rígidos

c) Adiabáticas

d) Diatérmicas


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TermodinámicaPermeable

Impermeable


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Termodinámica

60ºC 40ºC

60ºC 40ºC 60ºC 40ºC

50ºC 50ºC

Pared Diatérmica

Pared Adiabática


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Sistemas


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Desde el punto de vista macroscópico, la descripción

de la condición física de un sistema se realiza

mediante un conjunto de atributos denominados

parámetros o variables termodinámicas, tales como

presión, volumen, temperatura, tensión, energía,

campo eléctrico, etc., que pueden ser medidos

experimentalmente. El estado termodinámico de un

sistema está determinado por el conjunto de valores

que asuman sus variables termodinámicas.


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Cuando el estado de un sistema no cambia con el

tiempo se dice que está en equilibrio. En este caso los

valores del conjunto de parámetros termodinámicos

permanecen constantes. El estado de equilibrio de un

sistema está determinado por unas pocas variables

termodinámicas. Estas variables determinan todas las

otras variables del sistema. Las propiedades que sólo

dependen del estado del sistema se denominan

funciones de estado.


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Cuando el estado de un sistema cambia,

se dice que ha sufrido una transformación

termodinámica. En particular, si un

sistema pasa de un estado a otro por una

sucesión de estados de equilibrio, se dirá

que la transformación experimentada por dicho sistema es cuasiestática.


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En resumen


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Propiedades

Termodinámicas

PROPIEDADES INTENSIVAS Y EXTENSIVAS

¿Qué propiedades usa la termodinámica paracaracterizar un sistema en equilibrio?

- Composición

- Volumen

- Presión

Características medibles y son necesarias paracaracterizar al sistema.


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TermodinámicaPROPIEDADES

INTENSIVAS EXTENSIVAS

No dependen de la cantidad

de materia del sistema

Dependen de la cantidad

de materia del sistema

No son aditivas

- Temperatura

- Presión

- Densidad

Son aditivas

- Masa

- Volumen


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Si las propiedades

macroscópicasintensivas a lo largo de un

sistema son idénticas

el sistema de denomina

homogéneo

Si por el contrario estas

propiedades noson idénticas el sistema se

denomina

heterogéneo


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Un sistema heterogéneo puede constar de varios

sistemas homogéneos a estas partes se les

llama fases

En este caso tenemos tres

fases

- La sal no disuelta

- La solución

- El vapor de agua


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EQUILIBRIO

La termodinámica estudia sistemas enequilibrio (o procesos reversibles)

Equilibrio térmico

Temperatura constante en

todos los puntos del sistema

Equilibrio mecánico Todas las fuerzas estánequilibradas

Equilibrio material No hay cambios globales enla composición del sistema,

ni transferencia de materia

no se observan variaciones macroscópicas con el tiempo


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Tipos de

procesos

• Isotérmico (T = cte)

• Isobárico (P = cte)

• Isocórico (V = cte)

• Adiabático (Q = 0)

Irreversible o espontáneo

ReversibleSistema siempre infinitesimalmente próximo al equilibrio;

un cambio infinitesimal en las condiciones puede invertir el

proceso.

Un cambio infinitesimal en las condiciones, no produce un

cambio de sentido en la transformación.

Trayectoria = Camino que sigue el sistema cuando su estado, las

funciones de estado, cambian con el tiempo

T t i i t iti


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Temperatura: nociones intuitivas y

cualitativas

Asociamos el concepto de temperatura con cómo de

“calientes” o “fríos” están los objetos cuando los tocamos

Nuestro sentido del tacto nos proporciona una indicación

cualitativa de la temperatura…

… aunque poco fiable. La piel es sensible al ritmo de

transferencia de energía (potencia) mas que a la

temperatura del objeto.

Necesitamos un método fiable y reproducible que defina lo

relativamente “fríos” o “calientes” que están los objetos y

que esté relacionado exclusivamente con la temperatura del

objeto

Temperatura: concepto de contacto térmico y


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Temperatura: concepto de contacto térmico y

equilibrio térmico

Al poner en contacto dos objetos con temperaturas iniciales

diferentes acaban alcanzando una temperatura intermediacomún

Supongamos dos objetos colocados en un recipiente de

material aislante, de manera que formen un sistema aislado

Si los objetos están a temperatura diferente, intercambiaránenergía entre sí (por ejemplo en forma de calor o de

radiación electromagnética)

Dos objetos que pueden intercambiar energía entre sí

debido a la diferencia de temperatura de este modo se dicenque están en contacto térmico

En algún momento, la temperatura de los dos objetos será

la misma (uno se calentará y el otro se enfriará)

El equilibrio térmico es la situación en la que los dos

objetos en contacto térmico dejan de intercambiar energía

T t d fi i ió


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Temperatura: definición

Consideremos dos objetos A y B que no están en contacto

térmico, y un tercer objeto C que será nuestro termómetro

(un instrumento calibrado para medir la temperatura de un

objeto)

Queremos determinar si A y B estarían en equilibrio térmico

si se pusieran en contacto térmico

En primer lugar ponemos

el termómetro en

contacto térmico con A yanotamos el valor medido

Luego, ponemos el

termómetro en contacto

térmico con B y anotamosel valor medido

Si las dos lecturas

proporcionadas por el

termómetro son iguales,

entonces A y B se

encuentran en equilibrio

térmico. Si A y B se

ponen en contacto

térmico, no habrá

transferencia de energíaneta entre ellos

Le cero de la termodinámica


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Ley cero de la termodinámica

“Si dos objetos A y B, considerados por separado, están en

equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces A y Bestarán en equilibrio térmico entre sí”

La importancia de este principio es que nos

permite definir el concepto de temperatura

Podemos definir la temperatura como la propiedad

que determina si un objeto está en equilibrio térmico

con otros objetos

Dos objetos están en equilibrio térmico si están a la misma

temperatura

Termómetros


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Termómetros

Los termómetros son instrumentos utilizados para medir la temperatura

de un objeto o de un sistema con el cuál se encuentran en equilibrio

térmico

Todos los termómetros hacen uso de alguna propiedad física

(propiedad termométrica) que refleja una variación con la

temperatura, la cual puede ser calibrada para medir la

temperatura

El volumen de un líquido

La longitud de un sólido

La presión de un gas a volumen constante

El volumen de un gas a presión constante

La resistencia eléctrica de un conductor

El color de un objeto caliente

Termómetros que utilizan el volumen de un líquido


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Termómetros que utilizan el volumen de un líquido

Los termómetros de uso común contienen un líquido que se expande

en un tubo capilar de vidrio al aumentar su temperatura.

En este caso, la propiedad física que varía es el volumen del líquido.Si la sección transversal del tubo capilar es constante, la variación

del volumen del líquido es lineal con respecto a su longitud a lo

largo del tubo.

Podemos establecer que la temperatura está relacionada con la

longitud de la columna del líquidoEl termómetro se puede calibrar poniéndolo en contacto térmico con

entornos en los que la temperatura permanezca constante y marcando la

parte superior de la columna sobre el termómetro.

Una vez que hemos marcado nuestro termómetro los extremos de la

columna de liquido para los entornos de referencia elegidos, necesitamos

una escala numerada asociada a las diferentes temperaturas

Cero grados Celsius (0 C)

Mezcla hielo-agua en equilbrio térmico

a presión atmosférica(punto de fusión o congelación del agua)

Cien grados Celsius (100 C)

Mezcla agua-vapor de agua en equilbrio

térmico a presión atmosférica(punto de vaporización o ebullición del agua)

Escala Celsius

Termómetros que utilizan el volumen de un


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Termómetros que utilizan el volumen de un

líquido

Estos termómetros suelen dar problemas cuando senecesitan medidas muy precisas

Un termómetro de mercurio y un termómetro de alcohol

calibrados en los puntos de fusión y evaporación delagua solo coinciden en los puntos de calibración

Esto se debe a las distintas propiedades de expansión

térmica del mercurio y del alcohol.

Las diferencias son especialmente significativas cuandolas temperaturas medidas están lejos de los puntos de

calibración.

Termómetros de gas a volumen constante


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Las medidas proporcionadas por estos termómetros

concuerdan muy bien incluso lejos de los puntos de

calibración

La lectura es prácticamente independiente de la sustancia utilizada

en el termómetro

En un termómetro de gas a volumen constante se mantiene constante el

volumen del gas y su presión se utiliza como propiedad termométrica

El bulbo de gas se pone en

contacto térmico con unamezcla de hielo-agua en

equilibrio térmico a presión

atmosférica

Metemos o sacamos

mercurio de la reserva de

manera que el volumen de

gas confinado sea siempre el

mismo

(que la columna en A

permanezca en el punto de la

escala marcado por el cero)

La altura (diferencia entre los niveles de la reserva y de la columna A)indica la presión en el bulbo a 0 C)



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Las medidas proporcionadas por estos termómetros concuerdan muy

bien incluso lejos de los puntos de calibración


en el termómetro




contacto térmico con unamezcla de agua-vapor de

agua en equilibrio térmico a

presión atmosférica

Metemos o sacamos




mismo




La altura (diferencia entre los niveles de la reserva y de la columna A)indica la presión en el bulbo a 100 C)



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en el termómetro



Se representan en una

gráfica los valores de presión

y temperatura

La línea que conecta los dos puntos sirve de curva

de calibración para temperaturas desconocidas

(experimentalmente se ha demostrado que una

relación lineal entre presión y temperatura es unabuena aproximación)



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en el termómetro




contacto térmico con unasustancia de temperatura

desconocida

Metemos o sacamos




mismo




La altura (diferencia entre los niveles de la reserva y de la columna A)indica la presión del gas, y conocida la presión conocemos la temperatura)



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También se pueden utilizar medidas de temperaturautilizando presiones iniciales diferentes a 0 C

Si la presión inicial es baja obtendremos

una curva diferente como curva de

calibración para cada presión inicial

Si las curvas se alargan hasta la zona de

temperatura negativas…

En todos los casos, independientemente del tipo de gas utilizado o del valor de lapresión inicial, la presión es cero cuando la temperatura es de -273,15 C

El cero absoluto de temperaturas


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El cero absoluto de temperaturas

En todos los casos, independientemente del tipo de gas utilizado o del valor de lapresión inicial, la presión es cero cuando la temperatura es de -273,15 C

Dado que la presión más baja posible es

(vacío perfecto) esta temperatura debe representar

un límite inferior para los procesos físicos.

Definimos esta temperatura como el cero absoluto de temperaturas

Escala Kelvin de temperaturas


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En la escala Kelvin de Temperaturas se define el cero absoluto de temperaturas

como punto cero (0 K)

El valor de un grado en la escala Kelvin se ha elegido para que sea igual al valor

de un grado en la escala Celsius

Temperatura expresada

en escala Celsius


en escala Kelvin

(también denominada

absoluta)

La única diferencia entre estas dos escalas es un

desplazamiento del cero de la escala

El cero en la escala Celsius depende

de una sustancia particular (agua)en un planeta particular (Tierra)

El cero en la escala absoluta es

universal



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Escala Farenheit de temperaturas


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Escala Farenheit de temperaturas


en escala Farenheit


en escala Celsius

En la escala Farenheit:- punto de fusión del hielo: 32 F

- punto de ebullición del agua: 212 F

Diferentes escalas de temperatura


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Diferentes escalas de temperatura

De las tres escalas de temperatura

discutidas, solo la escala Kelvin está basada

en un valor cero de la temperatura real

Las escalas Celsius y Farenheit están

basadas en un cero de temperaturas

arbitrario

Si la ecuación contiene una diferencia en

temperaturas podemos utilizar tanto la escala

Celsius como la escala Kelvin

Si en una ecuación encontramos un valor de la

temperatura o un cociente de temperaturas,

debemos convertir todas las temperaturas a

Kelvin


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Bibli fí


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Bibliografía

Diapositivas Javier Junquera. Universidad de Cantabria.

Física, Volumen 1, 6 edición. Raymod A. Serway y John W. Jewett, Jr.Capítulo 19, 20

Física para la Ciencia y la Tecnología, Volumen 1, 6 edición. Paul A.Tipler y Gene Mosca. Ed. Reverté. ISBN: 978-84-291-4429-1. Capítulo 17

Termodinámica, 5 edición. Cengel Y y Boles M.A. Capítulo 1.

Termodinámica, 5 edición. Cengel Y y Boles M.A. Capítulo 1c

Diapositivas. Universidad Católica de Valparaiso

Diapositivas Prof. Carlos G Villamar. ULA

Diapositivas. Universidad de Sevilla. Tema 09, 2011.

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Documents