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La termodinámica I (Presentación PowerPoint)




Enviado por Pablo Turmero



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    (Gp:) Termodinámica (Gp:) La termodinámica es la
    rama de la física que estudia la energía, la
    transformación entre sus distintas manifestaciones, como
    el calor, y su capacidad para producir un trabajo. (Gp:) Un
    sistema puede ser cualquier objeto, masa, región del
    espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo
    (mentalmente) de todo lo demás, que pasa a ser el entorno
    del sistema. El sistema y su entorno forman el universo. La
    distinción entre sistema y entorno es arbitraria: el
    sistema es lo que el observador ha escogido para estudiar. La
    envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa del
    entorno se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene
    propiedades especiales que sirven para: a) aislar el sistema de
    su entorno o para b) permitir la interacción de un modo
    específico entre el sistema y su ambiente.

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    Un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar materia ni
    energía con su entorno. Un sistema cerrado es aquel que
    sólo puede intercambiar energía con su entorno,
    pero no materia. Un sistema abierto es aquel que puede
    intercambiar materia y energía con su entorno. Sistema
    termodinámico Un sistema termodinámico es un
    sistema macroscópico cuyas características
    microscópicas (la posición y la velocidad de las
    partículas en cada instante) es inaccesible y donde
    sólo son accesibles sus características
    estadísticas. El estado de un sistema representa la
    totalidad de las propiedades macroscópicas asociadas con
    él. Cualquier sistema que muestre un conjunto de variables
    identificables tiene un estado termodinámico, ya sea que
    esté o no en equilibrio.

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    La termodinámica se ocupa de la energía y sus
    transformaciones en los sistemas desde un punto de vista
    macroscópico Un sistema puede ser cualquier objeto,
    cualquier cantidad de materia, cualquier región del
    espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo
    (mentalmente) de todo lo demás, lo cual se convierte
    entonces en el entorno del sistema. sistema + entorno = universo.
    La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de
    sus inmediaciones (entorno) se llama frontera del sistema y puede
    pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para: a)
    aislar el sistema de su entorno o para b) permitir la
    interacción de un modo específico entre el sistema
    y su ambiente.

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    Llamamos sistema, o medio interior, la porción del espacio
    limitado por una superficie real o ficticia, donde se
    sitúa la materia estudiada. El resto del universo es el
    medio exterior.

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    Si la frontera permite la interacción entre el sistema y
    su entorno, tal interacción se realiza a través de
    los canales existentes en la frontera. Los canales pueden ser
    inespecíficos para interacciones fundamentales tales como
    el calor o la interacción mecánica o
    eléctrica, o muy específicos para interacciones de
    transporte. Sistemas aislados, cerrados y abiertos Sistema
    aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni
    energía con su entorno. Sistema cerrado es el sistema que
    sólo puede intercambiar energía con su entorno,
    pero no materia. Sistema abierto es el sistema que puede
    intercambiar materia y energía con su entorno.

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    Todo sistema posee una estructura microscópica
    (moléculas, ellas mismas formadas por átomos, ellos
    mismos formados por partículas elementales); de modo que
    uno puede considerar, a priori, las características
    microscópicas, propias de cada una de las
    partículas constitutivas del sistema, y las
    características macroscópicas correspondientes al
    comportamiento estadístico de estas partículas.
    Sistema termodinámico Un sistema termodinámico es
    un sistema macroscópico, es decir, un sistema cuyo detalle
    de sus características microscópicas (comprendida
    la posición y la velocidad de las partículas en
    cada instante) es inaccesible y donde sólo son accesibles
    sus características estadísticas.

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    Estado de un sistema y sus transformaciones la palabra estado
    representa la totalidad de las propiedades macroscópicas
    asociadas con un sistema… Cualquier sistema que muestre un
    conjunto de variables identificables tiene un estado
    termodinámico, ya sea que esté o no en
    equilibrio.!!!! Concepto de transformación: estado inicial
    y estado final, transformación infinitesimal Se dice que
    ocurre una transformación en un sistema si, como
    mínimo, cambia de valor una variable de estado dentro del
    mismo a lo largo del tiempo. Si el estado inicial es distinto del
    estado final, la transformación es abierta. Si los estados
    inicial y final son iguales, la transformación es cerrada.
    Si el estado final es muy próximo al estado inicial, la
    transformación es infinitesimal. El interés de la
    termodinámica se centra en los estados inicial y final de
    las transformaciones, independientemente del camino seguido. Eso
    es posible gracias a las funciones de estado.

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    Transformaciones reversibles e irreversibles Una
    transformación es reversible si se realiza mediante una
    sucesión de estados de equilibrio del sistema con su
    entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado
    inicial por el mismo camino. Reversibilidad y equilibrio son
    equivalentes. Si una transformación no cumple estas
    condiciones se llama irreversible. Equilibrio
    termodinámico Las propiedades termodinámicas de un
    sistema vienen dadas por los atributos físicos
    macroscópicos observables del sistema, mediante la
    observación directa o mediante algún instrumento de
    medida. Un sistema está en equilibrio termodinámico
    cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades
    termodinámicas a lo largo del tiempo. Los estados de
    equilibrio son, por definición, estados independientes del
    tiempo.

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    El estado de equilibrio termodinámico se caracteriza por
    la anulación por compensación de flujos de
    intercambio y la homogeneidad espacial de los parámetros
    que caracterizan el sistema que ya no dependen del tiempo. Un
    estado de no equilibrio es un estado con intercambios netos de
    masa o energía y sus parámetros
    característicos dependen en general de la posición
    y del tiempo. Si no dependen del tiempo, necesitan la
    intervención del entorno para mantener sus valores (estado
    estacionario fuera del equilibrio).

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    Reversibilidad Un proceso es reversible si su dirección
    puede invertirse en cualquier punto mediante un cambio
    pequeño en las condiciones externas. Para los procesos
    reversibles es posible basar los cálculos en las
    propiedades del sistema (con independencia de los del entorno).
    En los procesos reversibles, el sistema nunca se desplaza
    más que su equilibrio interno o de su equilibrio con su
    entorno. Noción de deposito Se llama depósito un
    sistema cuyas variables intensivas no varían ni en el
    espacio ni en el tiempo, sean cuales sean los intercambios
    efectuados entre el sistema y el entorno. Así, un
    depósito es una fase que permanece indefinidamente
    idéntica a si misma. Ello implica que: 1) para todas las
    cantidades extensivas susceptibles de ser intercambiadas, puede
    considerarse que el sistema tiene una capacidad ilimitada. 2) que
    los intercambios se producen lentamente de forma que no se
    producen gradientes dentro del sistema de sus variables
    intensivas. 3) que no se producen reacciones químicas
    dentro del sistema.  

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    La primera ley de la termodinámica afirma que la
    energía total de cualquier sistema aislado se conserva.
    También conocida como ley de la conservación de la
    energía, la Primera ley de la termodinámica
    establece que si se realiza trabajo sobre un sistema, la
    energía interna del sistema variará. Se trata de la
    generalización de la segunda ley de Newton
    (conservación del movimiento), en este caso llamamos al
    calor “Q” y la adoptamos como una forma de
    energía y la energía interna “U” como
    una propiedad de la materia. El primer reconocimiento del
    principio de conservación, por Leibniz en 1693, se
    refería sólo a la suma de la energía
    cinética (½mv2) y la energía potencial (mgh)
    de una masa mecánica simple situada en el campo
    gravitacional terrestre. A medida que se fueron considerando
    nuevos tipos de sistemas, la forma establecida del principio de
    conservación fallaba repetidamente, pero en cada caso, fue
    posible revivirlo mediante la incorporación de un nuevo
    término matemático (una 'nueva clase de
    energía')… El principio de la conservación de la
    energía es uno de los más fundamentales, generales
    y significantes principios de la teoría física.
     

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    La primera ley de la termodinámica identifica el calor
    como una forma de energía. Esta idea, que hoy nos parece
    elemental, tardó mucho en abrirse camino y no fue
    formulada hasta la década de 1840, gracias a las
    investigaciones de Mayer y de Joule principalmente.
    Anteriormente, se pensaba que el calor era una sustancia
    indestructible y sin peso (el calórico) que no
    tenía nada que ver con la energía.

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    Energía En la práctica, en las situaciones
    no-relativistas, se tiende, en primera aproximación
    (normalmente muy buena), a descomponer la energía total en
    una suma de términos que se llaman las diferentes formas
    de la energía… La energía potencial y la
    energía cinética son dos elementos a considerar,
    tanto en la mecánica como en la termodinámica.
    Estas formas de energía se originan por la posición
    y el movimiento de un sistema en conjunto, y se conocen como la
    energía externa del sistema. La energía interior de
    la materia, energía asociada con el estado interno de un
    sistema que se llama energía interna. Cuando se sabe un
    número suficiente de datos termodinámicos, como por
    ejemplo, temperatura y presión, se puede determinar el
    estado interno de un sistema y se fija su energía interna.
    La energía interna de un sistema, es el resultado de la
    energía cinética de las moléculas o
    átomos que lo constituyen, de sus energía de
    rotación y vibración, además de la
    energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de
    tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear, que
    constituyen conjuntamente las interacciones fundamentales. Al
    aumentar la temperatura de un sistema, sin que varíe nada
    más, aumenta su energía interna.

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    En general la energía total, ET , de un sistema puede
    descomponerse en energía de masa, Em, energía
    cinética, Ek, energía potencial, Ep, y
    energía interna, U, es decir, ET = Em + Ek + Ep + U La
    energía cinética es una forma de energía
    debida al movimiento de los cuerpos. Equivale al trabajo que es
    necesario realizar para que el cuerpo pase del estado de reposo (
    v = 0 ) al estado de desplazamiento con una velocidad v. La
    energía potencial puede pensarse como la energía
    almacenada en un sistema, o como una medida del trabajo que un
    sistema puede entregar. Más rigurosamente, la
    energía potencial es un campo escalar (es decir, una
    función de la posición) asociado a una fuerza, y
    tal que la diferencia entre los valores del campo en dos puntos A
    y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para cualquier
    recorrido entre B y A.

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    donde Em = mc2 Ec = ½mv2 La energía potencial
    depende de los campos externos a los que está sometido el
    sistema y viene dada por una función de la
    posición, y la energía interna U que considera la
    energía de las partículas que constituyen el
    sistema y sus interacciones a corta distancia. En realidad, esta
    descomposición permite distinguir entre las formas de
    energía 'mecánica' (Em, Ek y Ep) y una forma de
    energía 'termodinámica' (U) que tiene sentido para
    un sistema estadístico constituido por un gran
    número de partículas.

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    El cambio de energía total del sistema… DE = DEc +
    DEp + DU donde DEk y DEp representan el cambio de su
    energía externa, cinética y potencial
    respectivamente, y DU representa el cambio de su energía
    interna, dada por la energía cinética y potencial
    de las moléculas, átomos y partículas
    subatómicas que constituyen el sistema. Energía
    interna La energía interna de un sistema, U, tiene la
    forma de energía cinética y potencial de las
    moléculas, átomos y partículas
    subatómicas que constituyen el sistema, es decir, U = Ec
    int + Ep int donde la energía cinética interna es
    la suma de la energía cinética de todas las
    partículas del sistema. y la energía potencial
    interna es la suma de la energía potencial debida a la
    interacción de todas las partículas entre si.
     

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    Medida de la energía Sólo las diferencias de
    energía, en vez de los valores absolutos de
    energía, tienen significación física, tanto
    a nivel atómico como en sistemas macroscópicos.
    Convencionalmente se adopta algún estado particular de un
    sistema como estado de referencia, la energía del cual se
    asigna arbitrariamente a cero. La energía de un sistema en
    cualquier otro estado, relativa a la energía del sistema
    en el estado de referencia, se llama la energía
    termodinámica del sistema en ese estado y se denota por el
    símbolo U.

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    Primera ley de la termodinámica Para un sistema cerrado
    (de masa constante) la primera ley de la termodinámica se
    expresa matemáticamente por medio de: DET = Q – W donde
    DET es el cambio total de energía del sistema, Q es el
    calor agregado al sistema y W el trabajo realizado por el
    sistema. La primera ley de la termodinámica expresa que el
    cambio total de energía de un sistema cerrado es igual al
    calor transferido al sistema, menos el trabajo efectuado por el
    sistema. Si se expande DET en la expresión de la primera
    ley, se obtiene la ecuación DEc + DEp + DU = Q – W En el
    caso frecuente donde las energías potencial y
    cinética (energía externa) del sistema no cambian,
    esta ecuación se convierte en: DU = Q – W o, en forma
    diferencial, dU = dQ – dW y todo el intercambio de energía
    con el entorno sirve para cambiar sólo la energía
    interna.

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    Formas de intercambio de energía sistema-entorno Para
    sistemas cerrados, el intercambio de energía
    sistema-entorno sólo puede ocurrir en dos formas: calor y
    trabajo. Trabajo El trabajo en termodinámica siempre
    representa un intercambio de energía entre un sistema y su
    entorno. Cuando un sistema sufre una transformación, este
    puede provocar cambios en su entorno. Si los cambios implican el
    desplazamiento (variación) de las fuerzas que ejerce el
    entorno sobre el sistema, o más precisamente sobre la
    frontera entre el sistema y el entorno, entonces ha habido
    producción de trabajo. Dependiendo del origen
    físico de las fuerzas aplicadas al sistema se distinguen
    diferentes formas de trabajo realizado. El trabajo tiene
    dimensiones de energía y representa un intercambio de
    energía entre el sistema y su entorno. Por
    convención se considera que el trabajo realizado por el
    sistema es positivo y el trabajo efectuado sobre el sistema es
    negativo.

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    Calor El calor, al igual que el trabajo, se considera en
    termodinámica como energía en tránsito a
    través 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 único
    requisito para que el calor sea transferido por
    conducción. No se considera el calor que se almacena en un
    sistema. Cuando se le agrega energía en forma de calor a
    un sistema se almacena como energía cinética y
    potencial de las partículas microscópicas que lo
    integran. Las unidades de calor son las de trabajo y
    energía. La convención de signos utilizada para una
    cantidad de calor Q es opuesta a la que se utiliza para el
    trabajo. El calor añadido a un sistema se da con un
    número positivo, en tanto que el calor extraído de
    un sistema se da con un número negativo.

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    Potencia Cuando se realiza una cantidad de trabajo DW en un
    intervalo de tiempo Dt, la potencia media se define como la
    velocidad media a la que se realiza el trabajo… Ej: sacar
    nieve con una pala o con una maquina quita nieve.. El trabajo es
    el mismo pero la velocidad es distinta, la máquina lo hace
    mucho más rápido, es decir es más POTENTE.
    P=DW/Dt Juoles /seg= vatios=W P = Fs x Ds/Dt Cuando se aplica una
    fuerza y hay desplazamiento.

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    Segunda ley de la termodinámica La primera ley es
    útil para comprender el flujo de energía durante un
    proceso. Pero no nos dice cuáles de los procesos conservan
    la energía son posibles, ni nos permite predecir en
    qué estado se hallará un sistema en determinadas
    condiciones. Por ej., supongamos que una maquina quema
    combustible y que el calor producido se suministra a una
    máquina de vapor. La primera ley dice que el trabajo
    realizado por la maquina más el calor desprendido por ella
    al exterior son iguales al calor suministrado , ya que la
    energía interna de la maquina no varía. No sabemos
    nada a cerca del rendimiento de la maquina… La segunda ley
    trata de estudiar el comportamiento más probable de un
    número de moléculas o partículas… Los
    sistemas tienden a evolucionar de configuraciones muy ordenadas,
    altamente improbables en la naturaleza, hacia configuraciones
    más desordenadas, que son más probables
    estadísticamente.

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    Los sistemas tienden a estados de máximo desorden o caos
    molecular… Entropía Depende solo del sistema y no
    de qué proceso particular siguió para llegar a ese
    estado. Si hablamos de entropía tenemos que definir
    nuevamente procesos reversibles e irreversibles… Un
    procesos reversible es aquel en que se puede hacer que el sistema
    vuelva a su estado original sin variación neta del sistema
    ni del medio ambiente.

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    La mayoría de los procesos naturales son
    irreversibles… Cuando se transforma calor entre dos
    objetos de distinta temperaturas, puede hacerse que el calor
    vuelva al sistema de mayor temperatura, pero esto requiere
    TRABAJO por parte del medio externo… Es decir el medio
    externo se tiene qu modificar para poder devolverle el estado
    inicial al sistema. Definiendo entropía… Si
    añadimos a un sistema una pequeña cantidad de calor
    DQ a una temperatura Kelvin T durante un proceso reversible, el
    cambio de entropía es… DS= DQ/T Proceso
    reversible

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    La entropía total del sistema más el medio exterior
    nunca puede disminuir… DS (total)> ó = 0 El
    desorden molecular de un sistema más el medio es constante
    si el proceso es reversible y aumenta (DS es +) si el proceso es
    irreversible…

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