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TERMODINÁMICA
Clase 2 conceptos
Elaboró: Efrén Giraldo MSc.
Revisó: Carlos A. Acevedo Ph.D
Presentación hecha exclusívamente con el fin de
facilitar el estudio
Contenido:
MicroestructuraFasePropiedades termodinámicasEstado ProcesoTrayectoriaFlujo estableFlujo inestable o transitorio
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Microestructura: cristalina, amorfa
Cristalina: es la forma como se organizanlos átomos al pasar del estado líquido alsólido, formando ordenamientos o figurasgeométricas espaciales repetitivos: cubos,hexágonos, tetraedros, etc.
Amorfa o vítrea: no forma un ordenrepetitivo en las 3D
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Figura 1. Estructura cristalina. Figura 2. Estructura amorfa. http://curioseadores.blogspot.com/2013/07/diferencias-entre-vidrio-y-cristal.html
Fase: porción físicamente homogéneaen toda ella pero distinta de otraspartes de un sistema
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Figura 3. Cristal de Piritahttp://curioseadores.blogspot.com/2013/07/diferencias-entre-
vidrio-y-cristal.html
Figura 4. estructura cristalina de la salhttp://quimicainorganica-2010.blogspot.com/2010/05/enlace-ionico-y-estructuras-
cristalinas.html
Una fase debe cumplir tres características:
1. Misma composición química
2. Misma estructura ( cristalina o amorfa
3. Separada de otras fases por una interfase.
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Los tres estados físicos comunes de la materia(S,L,G) son a la vez tres fases.
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Figura 5. Ocho fases presentes en un refresco y su envase. Sólo tres
estados físicos. http://quimicanuestra.blogspot.com/2010/08/los-estados-de-la-materia_15.html
LINC VIDEO LOS ESTADOS FÍSICOS DE LA MATERIA
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Figura 6. los tres estados de la materia y su relación con la E.http://clubmaestraandreasexto.blogspot.com/2012/04/estados-de-la-materia-estados-de.html
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Figura 7. Los tres estados físicos de la materia y los cambios de estado.
http://kimluyallteku.blogspot.com/2012_04_01_archive.html
Agregar calor
Disminuir calor
Sólido
Líquido
Gas
Fusión
Solidificación
Vaporización
Condensación
Si se pasa de S L G
hay que agregar calor (aumento de T)
Lo contario para ir de G L S, hay que quitar calor
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Propiedades de un Sistema
Están determinadas por las variables básicasque se pueden observar, medir o cuantificaren las sustancias o en los sistemas.
Definen o determinan el estado de unsistema al tomar valores fijos.
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CLIC PROPIEDADES TERMODINÁMICAS
Propiedades: dependientes o independientes
Algunas propiedades son: Temperatura(T), presión(P), masa, energía(e), energía interna(U), entalpia(h),….
Dependientes: cuando una depende de la otra, si la una varía la otra también.
Independientes: cuando una no depende de la otra. Si una varía la otra no. Si se mantiene la
una fija, la otra puede variar.
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HACER CLIC: VARIABLES TERMODINÁMICAS
A nivel del mar ( 1 atm) el agua cambiade fase (y estado L a G)) a 100 °C, peroa 0,84 atm a una altura de 1479 msm.(Medellín) lo hace a 97 °C.
Como es un sistema de 2 fases, la Tdepende de la presión atm
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En cambio la temperatura y el volumenespecífico son propiedades independientespara sistemas compresibles simples.
Es importante resaltar que conociendoalgunas propiedades, se pueden conocer lasrestantes.
Esto lo determina el Postulado de Estadoque veremos más adelante.
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Las propiedades termodinámicas sonsólo aquellas cuyos valoresnuméricos no dependen de lahistoria del sistema, es decir, sonindependientes de la ruta seguidaentre dos diferentes estados.
Dependen de las condicionesiniciales y finales del sistema.
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Propiedades termodinámicas
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La propiedades termodinámicas también se
conocen como variables de estado,
parámetros de estado o variables
termodinámicas.
Una vez conocidas algunas variables
termodinámicas, los valores de todas las otras
propiedades del sistema son determinadas.
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Las propiedades físicas se expresanen sistemas de unidades, lo cualpermite expresarlas de forma fácil yprecisa.
Como ciencia fenomenológica, latermodinámica no se ocupa de ofreceruna interpretación física de susmagnitudes.
Propiedades extensivas
Dependen de la cantidad de materia.
Si se divide el sistema la suma de laspartes de la propiedad es igual al total:
Volumen, Energía, masa, etc.
Es claro entonces que las propiedadesextensivas son aditivas.
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Propiedades intensivas
No dependen de la masa del sistema:
Temperatura, densidad, concentración,
velocidad
Las propiedades solo se pueden medircuando el sistema está estado deequilibrio termodinámico.
Propiedades específicas
Algunas propiedades como la densidad, el
punto de ebullición, la resistencia,
elasticidad, etc diferencian un sustancia o un
cuerpo de otro. Por eso se llaman específicas.
Así, la densidad es propia de cadamaterial, porque tiene valoresdiferentes para cada uno y loespecífica.
Lo mismo el volumen específico.
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Las propiedades extensivas se pueden convertir en intensivas
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Estado termodinámico y equilibrio de un sistema
Equilibrio: el sistema no sufre cambio.
El estado termodinámico se define sólocuando el sistema está en equilibrio.
Estado es un conjunto de valoresdeterminados que toman las propiedadesde un sistema termodinámico en equilibrio.
CLIC EQUILIBRIO
Entonces un estado está definido ydeterminado cuando suspropiedades son conocidas o tomanvalores dados. O sea si se conocensu T, P, masa, energía……
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P
T
(P1, T1)
Estado 1
Figura 8. El estado 1 está definido por la presión 1 y por la temperatura 1
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• Además de los tres estados físicos comunes de
la materia, existen multitud de estados
termodinámicos de un sistema.
• Tantos como los correspondientes a cada cambio
de sus propiedades.
• Por tanto el concepto de estado termodinámico
es más amplio que el de estado físico de la
materia (L,S,G)
Los estados físicos(S,L,G) de la materiadependen de los valores de suspropiedades.
El agua puede ser sólida, líquida o gassegún los valores de la presión y latemperatura.
Lo mismo le pasa a cada substancia: essólida, líquida o gaseosa según losvalores de la presión y la temperatura.
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CLIC: PROPIEDADES Y ESTADOS
Equilibrio
En general se dice que un cuerpo está en equilibrio si:
Tiene la misma temperatura en todo el y se mantiene fija.
La misma presión.
No ocurren reacciones químicas al interior del sistema.
No hay cambios de fase.
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El Equilibrio, es un conceptofundamental de la Termodinámica.Las variables que describen unsistema que está en equilibrio, nocambian con el tiempo.
Para comprobar si un sistema estáen equilibrio habrá que aislarlo(imaginariamente) y comprobarque no evoluciona por sí solo.
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De hecho la termodinámica solotrabaja con sistemas en equilibrio.
En el equilibrio térmico ,todas laspartes del sistema se encuentran a lamisma temperatura.
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CLIC: EQUILIBRIO TÉRMICO
Proceso y trayectoria de un sistema
Cualquier cambio que experimenta unsistema de un estado de equilibrio 1 a otro 2se le llama proceso.
Cuando en un sistema se varían las variablestermodinámicas: presión, temperatura,volumen, etc., se dice que se lo somete a unproceso termodinámico.
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La trayectoria se da cuando cambia por lomenos alguna de las propiedades
termodinámicas.
Es la serie de estados por los que pasa unsistema durante un proceso.
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Propiedad A
Propiedad B
Figura 9. Proceso y Trayectoria
Estado 1
Estado 2
Clases de procesos
Isotérmico: T=k
Isobárico: P=k
Isocórico: v específico= k
Adiabático: no transferencia de calor
Isoentrópico: un proceso adiabáticoque es además reversible.
Cíclico: el estado final coincide conel inicial.12/08/2014 32
Procesos reversible son a aquellos quehacen evolucionar a un sistematermodinámico desde un estadode equilibrio inicial a otro nuevo estado deequilibrio final a través de infinitos estadosde equilibrio.
Un proceso reversible es aquel que,después de ser llevado de un estado iniciala uno final, puede retomar sus propiedadesoriginales.
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La variación de las variables de estadodel sistema, entre un estado deequilibrio intermedio y el sucesivo, esuna infinitesimal, es decir, ladiferencia que hay entre el valor deuna de las variables en un estado y elsiguiente es muy pequeño.
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Figura 10. Diversos Procesoshttp://institutomodernoamericano.edu.co/moodle/grados/decimo/contenido/fis_10/fis_10_0034.htm
P
VW
Isoterma 1
Isoterma 2
Adiabático
Proceso de flujo estable
Las propiedades del fluido no cambianen un punto dado en el tiempo, peropueden cambiar de un punto a otro.
Dispositivos de flujo estable: turbinas,bombas, calderas, condensadores,intercambiadores de calor, plantas deE, sistemas de refrigeración.
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Tiempo: 1 PM Tiempo: 3 PM
Entra masa
Figura 11. Durante un proceso de flujo estable, las
propiedades del fluido dentro del sistema pueden
cambiar con la posición, pero no con el tiempo.
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Sale masa
Cambio con la posición No cambio con el tiempo
Flujo inestable o transitorio
Proceso de flujo inestable otransitorio: las propiedadescambian con el tiempo en un punto.
Proceso uniforme: las propiedadesno cambian en un punto dado
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Bibliografía
Cengel, Y., y Boles, M. (2007). Termodinámica. Mc Graw Hill. 5 ed. México.
Laplace. Departamento de Física aplicada III. Universidad de Sevilla:
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Equilibrio_t%C3%A9rmico._Temperatura_(GIE)
UPM: Página de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) – España:
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/sistema.html
ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 39
http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1157/html/11_sistemas_termodinmicos.html
http://www.profesorenlinea.cl/Ciencias/entropia.htm
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