estrictamente hablando se entiende por termodinÁmica la parte de la física que estudia los...
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Estrictamente hablando se entiende por TERMODINÁMICA la parte de la física que estudia los procesos en los cuales los sistemas intercambian energía o materia cuando están en “equilibrio”.
El intercambio se realiza mediante procesos “cuasiestáticos”, es decir, procesos “infinitamente lentos”
Termodinámica en equilibrio
•Termodinámica clásica
•Termodinámica estadística
Termodinámica fuera del equilibrio
•Termodinámica cercana al equilibrio
•Termodinámica muy lejos del equilibrio
Termodinámica clásica
en equilibrio
• La temperatura es la propiedad física de los sistemas que precisa y cuantifica nuestras nociones de caliente y frío
• Los materiales más calientes tienen mayor temperatura
• La temperatura es una medida de la energía cinética media de los constituyentes de una muestra de materia
Si los sistemas A y B están en equilibrio termodinámico, y los sistemas B y C están en equilibrio termodinámico, entonces los sistemas A y C están también en equilibrio termodinámico
Si los sistemas A y B están en equilibrio termodinámico, y los sistemas B y C están en equilibrio termodinámico, entonces los sistemas A y C están también en equilibrio termodinámico
La energía interna de un sistema es la energía cinética total debida al movimiento de sus moléculas (de sus constituyentes) y la energía potencial asociada con la vibración y energía electromagnética de los átomos que constituyen las moléculas o los cristales.
En termodinámica, la energía
interna de un sistema se expresa
en términos de pares de variables
conjugadas, tales como la presión
y el volumen, la temperatura y la
entropía, el campo magnético y la
magnetización.
Es la energía intercambiada entre dos sistemas cuando no se encuentran en equilibrio.
El calor es el flujo de energía.
Los cuerpos no tienen “calor”, en realidad tienen energía interna.
•Un proceso es adiabático cuando el sistema ni gana ni pierde calor.
•Es un proceso en el cual el sistema no intercambia calor.
•Es un proceso en el cual no cambia la energía interna.
Expansión adiabática de un gas en un cilindro con una presión alta
Una variable de estado es una cantidad física que puede ser medida con toda precisión y que caracteriza el estado del sistema, independientemente de cómo el sistema llegó a él. Desde luego que dichas variables de estado deben ser univaluadas y deben ser diferenciales exactas
La temperatura, la presión y el volumen son variables de estado.Otros ejemplos de variables de estado:
La energía internaLa entropíaLa energía libre de HelmholtzLa energía libre de Gibbs
Una ecuación de estado es una relación, entre dos o más cantidades físicas, que describe el estado de la materia bajo un conjunto de condiciones físicas
Proporciona una relación matemática entre dos o más variables de estado asociadas con la materia
La ecuación de estado define a un sistema termodinámico
, , 0f P V T
16 -1
es el número total de
partículas en el gas
1.380650 10 erg K
PV NkT
N
k
Campo escalar: ,z f x y
,z f x y
, ,f x y f x ydz dx dy
x y
, ,
es una diferencial exacta si y sólo si
es independiente de la trayectoria.
dependerá solo del punto inicial y
del punto final.
b
a
dz M x y dx N x y dy
I dz
I
Condición necesaria y suficiente para
que una diferencial
, ,
sea exacta:
, ,
x y
d
M
z M
x
x y dx N
y N x y
y
y x
x dy
,z f x y
, ,f x y f x ydz dx dy
x y
2 2, ,f x y f x y
y x x y
2 2
Lo ha
En general
, ,
no es una diferencial exacta.
Ejemplo:
Prueben varias trayectorias entre los puntos
0,0 y (1,1), y verán que el resultado
depende de la trayectoria que elijan.
dz M x y dx N x y dy
dz y dx x dy
rémos el miércoles en el curso de cálculo vectorial
, ,dX F V T dV G V T dT
Si es una diferencial exacta, la variación
de cuando el sistema pasa de un estado a
otro no depende del proceso seguido entre
ellos.
La variación de X solo depende de los estados
inicial y final.
Deci
dX
X
mos que X es una "propiedad" del sistema
Las variables de estado deben ser diferenciales exactas
d W F dx
Fd W Adx
A
d W PdV
f
i
V
i f
V
W V V PdV
depende de la trayectoria seguida entre y
no es una variable de estado
no es una variable termodinámica
i fW V V
W
W
16 -1
es el número total de partículas en el gas
1.380650 10 erg K
ln
f
i
f f
i i
V
V
V V
f
iV V
W PdV
PV NkT
N
k
VNkT dVW dV NkT NkT
V V V
7
ln
Si tenemos 2 moles de un gas mantenido a la
temperatura constante de 0 C y se comprime
desde un volumen de 4 litros hasta 1 litro:
ln
ergios2 moles 8.31 10
mol×g
f
i
V
f
iV
f
i
VW PdV W NkT
V
VW nRT
V
10
1273 grados ln
rado 4
6.3 10 ergios 6300 joules
i ii
d W X dx
, pares de variables conjugadas que pueden almacenar energía
Ejemplos:
Trabajo magnético: ,
Trabajo eléctrico: ,
Trabajo químico: ,
i ix X
H M HdM
E P EdP
n dn
El trabajo ejecutado o absorbido por un sistema no es una diferencial exacta
A
B
x
X
4
3
El trabajo ejecutado o absorbido por un sistema no es una diferencial exacta
1 2 1verde
verde
W Xdx X x x
1 2 2 11 2 12rojo
rojo
X X x xW Xdx X x x
2 2 1azul
azul
W Xdx X x x
El trabajo ejecutado o absorbido por un sistema no es una diferencial exacta
d W Xdx
0X
x X
U Q W
El incremento en la energía de un
sistema es igual a la cantidad de
energía añadida calentándolo, menos
la cantidad de energía perdida por el
trabajo hecho por el sistema en sus
alrededores
El cambio en la energía interna de
un sistema es igual al calor añadido
al sistema menos el trabajo
realizado por el sistema
U Q W
es el potencial químico
es el número de partículas
, pares de variables conjugadas que
pueden almacenar energía. Ejemplos:
, ,
i ii
i i
dU d Q PdV dN X dx
N
x X
H M HdM E P EdP
Transformación
El cambio de entropía de un sistema termodinámico,
durante un proceso reversible en el cual una cantidad
de calor es introducida a una temperatura absoluta
constante es
Po
d Q
T
d QdS
T
r su definición, la entropía está determinada hasta
una constante
•Es una medida de la cantidad de energía que no está disponible para efectuar trabajo
•Es una medida del desorden del sistema
•Es una medida de la multiplicidad del sistema
Es imposible encontrar un proceso
que, operando en un ciclo, no produce
ningún otro efecto que la sustracción
de una cantidad positiva de calor de
un reservorio y la producción de una
cantidad igual de trabajo (Formulación
de Kelvin y Planck)
•El calor “no fluira” de manera espontanea de
un objeto frío a uno caliente
•Cualquier sistema libre de toda influencia
externa se vuelve más desordenado con el
tiempo. El desorden se puede expresar en
términos de la cantidad llamada entropía
•No se puede crear una maquina calorífica que
extraiga calor y que lo convierta en su totalidad
en trabajo útil
En un sistema cerrado
la entropía no decrece,
es decir,
0dS
