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DAYNA GUADALUPE MENEZ VELAZQUEZ.
INGENIERIA INDUSTRIAL C.
SISTEMA TERMODINAMICO.
Un sistema termodinámico es una parte del universo físico con un límite específico para la observación. Este límite puede estar definido por paredes reales o imaginarias. Un sistema contiene lo que se llama un objeto de estudio. Un objeto de estudio es una sustancia con una gran cantidad de moléculas o átomos. Este objeto está formado por un volumen geométrico de dimensiones macroscópicas sometidas a condiciones experimentales controladas. Un sistema termodinámico puede experimentar transformaciones internas e intercambia energía y/o materia con el entorno externo. DEFINICIÓN DE SISTEMA TERMODINÁMICO. Un sistema termodinámico se define como una cantidad de materia o una región en el espacio sobre el cual la atención se concentra en el análisis de un problema. Todo lo que forma parte del exterior del sistema se llama entorno o entorno. El sistema está separado del entorno por el límite del sistema. El límite puede ser fijo o móvil. Un sistema y sus alrededores juntos. TIPOS DE SISTEMAS TERMODINÁMICOS. Dentro de la termodinámica hay los siguientes tipos de sistemas: Sistema abierto Un sistema está abierto si permite un flujo con el entorno externo a través de su límite. El intercambio puede ser energía ( calor, trabajo, etc.) o materia. Un ejemplo de un sistema abierto es una piscina llena de agua. En la piscina el agua puede entrar o salir de la piscina y puede calentarse mediante un sistema de calefacción y refrigeración por viento. Sistema cerrado En termodinámica, un sistema es cerrado si permite un flujo de energía con el entorno exterior, a través de su frontera, (por medio de calor y / o trabajo y / u otra forma de energía), pero no de masa.
Un ejemplo es un cilindro mantenido cerrado por una válvula, que puede calentar o enfriar, pero no pierde masa (mientras que el mismo cilindro se comporta como un sistema abierto si abrimos la válvula). Sistema aislado Se dice que un sistema está aislado si No permite el intercambio de materia con el entorno exterior. No permite la transferencia de energía con el entorno externo. Un ejemplo es el universo. La mayoría de los astrónomos también consideran el universo como un sistema aislado. No permite la entrada ni la salida de materia ni de energía. Otras subdivisiones Cada uno de estos sistemas todavía se puede esquematizar debido a su complejidad interna existe la posibilidad de subdividirse en subsistemas más pequeños. De esta forma obtendremos que un sistema abierto, adiabático abierto, cerrado, adiabático y aislado puede ser: Sistema termodinámico simple. Un sistema es simple si está limitado por un límite, dentro del cual no existen otros muros. Sistema termodinámico compuesto. Un sistema es compuesto si está delimitado por un límite, dentro del cual existen otros muros. Los sistemas también se pueden clasificarse según su homogeneidad. De esta manera se habla de sistemas: Sistemas homogéneos, en estos sistemas las propiedades macroscópicas son las mismas en cualquier parte. Sistemas heterogéneos, cuando no ocurre lo anterior. Por ejemplo, un líquido en presencia de su vapor. ¿QUÉ SIGNIFICA QUE UN SISTEMA ESTÁ EN EQUILIBRIO TERMODINÁMICO? Un equilibrio termodinámico es un estado en el que un sistema termodinámico tiene un equilibrio térmico y mecánico y una reacción de equilibrio. El estado del equilibrio termodinámico está determinado por variables intensivas. Los parámetros intensivos son variables
interconectadas por una razón de proporción inversa o directa. Esta transformación termodinámica llevará al sistema hacia una otro punto de equilibrio. Por este motivo, el estado inicial y final de una transformación se identifican por dos pares de valores de las tres cantidades que definen el estado de un cuerpo: presión, volumen o temperatura. INTERCAMBIO DE ENERGIA EN UN PROCESO TERMODINÁMICO. En un proceso termodinámico se pueden dar tres situaciones diferentes en lo que se refiere al intercambio de energía: Intercambiando trabajo, pero sin intercambios de calor (para un sistema adiabático: transformación adiabática) Intercambiando calor, pero sin intercambiar trabajo; (por ejemplo, para una transformación isocora) Intercambiando trabajo y calor (por ejemplo, para una transformación isobárica o una isoterma). TIPOS DE PROCESOS TERMODINAMICOS. Para la clasificación de tipos de procesos termodinámicos, a menudo es interesante agrupar los procesos termodinámicos en pares en los que cada variable que se mantiene constante es un miembro de un par conjugado de variables termodinámicas. Presión-volumen El par conjugado presión-volumen tiene que ver con la transferencia de energía mecánica o dinámico como resultado del trabajo. Un proceso isobárico tiene lugar a presión constante. En otras palabras, el sistema está dinámicamente conectado, con una frontera movible, a un depósito a presión constante. Cuando un gas perfecto evoluciona isobáricamente desde un estado A hasta un estado B, la temperatura y el volumen asociados siguen la ley de Charles. Un proceso isocórico tiene lugar a volumen constante, de tal manera que el trabajo hecho por el sistema será cero. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen. De ello se desprende que, por un sistema simple bidimensional, cualquier energía térmica transferida al sistema externamente absorbe en forma de energía interna. Se puede decir que el sistema se encuentra dinámicamente aislado del entorno por una frontera rígida. Temperatura-entropía
El par conjugado temperatura-entropía en un proceso termodinámico tiene que ver con la transferencia de energía térmica como resultado del calentamiento. Un proceso isotérmico (o proceso isotermo) tiene lugar a temperatura constante. En otras palabras, el sistema está conectado térmicamente, por una frontera térmicamente conductora, a un depósito de temperatura constante. Un proceso adiabático es un proceso en el que no hay energía añadida o sustraída del sistema mediante calentamiento o enfriamiento. Para un proceso reversible, esto es idéntico a un proceso isentrópico. Se puede decir que el sistema es térmicamente aislado de su entorno y que su frontera es un aislante térmico. Si el sistema tiene una entropía que aún no ha alcanzado su máximo valor de equilibrio, la entropía aumentará, aunque el sistema esté térmicamente aislado. Un proceso isentrópico tiene lugar a entropía constante. Para un proceso reversible, esto es idéntico a un proceso adiabático. Si el sistema tiene una entropía que todavía no ha alcanzado el máximo valor de equilibrio, puede que se necesite un proceso de enfriamiento para mantener este valor de entropía. Potencial químico - número de partículas Los procesos de las secciones tienen asumido implícitamente que las fronteras también son impermeables a las partículas. Se puede asumir que las fronteras son rígidas y térmicamente aisladas, pero son permeables a uno o más tipos de partículas. Por par potencial químico - número de partículas se mantienen estas consideraciones; este par conjugado tiene que ver con la transferencia de energía mediante la transferencia de partículas. En un proceso de potencial químico constante el sistema es conectado por transferencia de partículas con una frontera permeable a las partículas. En un proceso de número de partículas constante no hay energía añadida o sustraída del sistema por transferencia de partículas. Se puede decir que el sistema es aislado por transferencia de partículas de su entorno por una frontera permeable a las partículas. Autor: Oriol Planas - Ingeniero Técnico Industrial especialidad en mecánica Fecha publicación: 2 de enero de 2018 Última revisión: 13 de marzo de 2019
A este principio se llama del equilibrio termodinámico. Si dos sistemas A y B están en equilibrio termodinámico, y B está en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C están a su vez en equilibrio termodinámico. Este principio es fundamental. El principio 0 no fue formulado formalmente hasta después de haber enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición 0. ¿QUE SIGNIFICA QUE UN PROCESO ESTÁ EN EQUILIBRIO TERMODINÁMICO? El equilibrio termodinámico de un sistema termodinámico se define como la condición del mismo en el que las variables empíricas utilizadas para definir un estado del sistema han llegado a un punto de equilibrio. Al estar en equilibrio, no varían a lo largo del tiempo. A estas variables empíricas (experimentales) de un sistema se les conoce como coordenadas termodinámicas del sistema. Entre otras variables empíricas tenemos: presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, etc. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA. “La energía total de un sistema aislado ni se crea ni se destruye, permanece constante”. Se puede pasar de una forma de energía a otra pero la energía ni se crea ni desaparece. Por ejemplo, en un motor térmico se puede convertir la energía térmica de la combustión en energía mecánica. La primera ley de la termodinámica también se conoce como ley de la conservación de la energía. Esta ley termodinámica establece que, si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otro modo, esta ley permite definir el calor como la cantidad de energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Antoine Lavoisier. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. La segunda ley de la termodinámica regula la dirección en que se han de llevar a cabo los procesos termodinámicos y, por tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario. Por ejemplo, la transferencia de calor se puede producir de un cuerpo caliente a otro frío, pero no a la inversa. También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo a otro sin pérdidas. Por ejemplo, en un motor ideal, la cantidad de calor suministrada se convierte en trabajo mecánico. Sin embargo, en un motor real, parte del calor suministrado se pierde.
Esta ley permite definir la entropía. La variación de la cantidad de entropía de un sistema termodinámico aislado siempre debe ser mayor o igual a cero y sólo es igual a cero si el proceso es reversible. La primera y segunda leyes de la termodinámica surgieron simultáneamente en la década de 1850. Principalmente fue el resultado de las obras de William Rankine, Rudolf Clausius y William Thomson (Lord Kelvin). TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA. La tercera de las leyes de la termodinámica afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. El cero absoluto equivale a 0 kelvin, es decir, a -273 grados Celsius. Esta ley fue propuesta por Walther Nernst. Cuando la temperatura tiende a cero absoluto, la entropía de cualquier sistema tiende a cero El tercer principio de la termodinámica puede formular también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. Autor: Oriol Planas - Ingeniero Técnico Industrial especialidad en mecánica Fecha publicación: 28 de agosto de 2018 Última revisión: 27 de agosto de 2020 Leyes de los gases Las leyes de los gases son un conjunto de leyes químicas y físicas que permiten determinar el comportamiento de los gases en un sistema cerrado. Parámetros de las leyes de los gases Los parámetros estudiados en las diferentes leyes de los gases son: Presión : es la cantidad de fuerza aplicada sobre una superficie. La unidad de presión en SI es el pascal (Pa) pero para el análisis matemático de las leyes de los gases se usa la unidad de atmósfera (atm); 1 atm es igual a 101325 Pa. Volumen : es el espacio ocupado por una cierta cantidad de masa y se expresa en litros (L). Temperatura : es la medida de la agitación interna de las partículas de gas y se expresa en unidades kelvin (K). Para transformar centígrados a kelvin, sólo tenemos que sumar 273. Moles : es la cantidad de masa del gas. Se representa con la letra n y sus unidades son moles. ¿Qué es un gas ideal?
Ley de Charles A presión constante, el volumen de una dada cantidad de un gas ideal aumenta al aumentar la temperatura. Jacques Alexandre Charles (1746-1823) hizo el primer vuelo en globo inflado con hidrógeno en 1783 y formuló la ley que lleva su nombre en 1787. La ley de Charles se expresa matemáticamente como: Volumen / Temperatura = Constante. O (V/T=K) Cuando se aplica la ley de Charles, se debe usar la temperatura absoluta. Para convertir la temperatura de ºC a kelvin (K) se suma 273. Ejemplo: 20 ºC + 273= 293 K 100 ºC + 273= 373 K Ejemplo Una llanta de un vehículo se llena con 100 L (V 1 ) de aire a 10ºC. Luego de rodar varios kilómetros la temperatura sube a 40ºC (T 2 ) ¿Cuánto será el volumen de aire (V 2 ) en la llanta? Ley de Gay-Lussac La presión es directamente proporcional a la temperatura. Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) La ley de Gay-Lussac se puede expresar matemáticamente como: Presión/Temperatura= Constante o (P/T=K) Al aumentar la temperatura de un gas confinado en un recipiente, aumenta la energía cinética de las moléculas del gas y, como consecuencia, las colisiones con las paredes del contenedor. El aumento de la frecuencia de colisiones resulta en el aumento de la presión. En utensilios como las ollas de presión y las teteras existen válvulas de seguridad que permiten la liberación de forma segura la presión antes de que alcance niveles peligrosos.
Ejemplo Si la presión y la temperatura del aire en una jeringa están originalmente a 1, atm y 293 K y se coloca la jeringa en agua hirviendo, la presión aumentará a 1,27 atm, según los siguientes cálculos: Ley de Avogadro El volumen es directamente proporcional de los moles de gas. La cantidad de gas se mide en moles (el símbolo estándar para moles es n ). El volumen de un gas es directamente proporcional al número de moléculas presente, es decir, el número de moles de gas. La ley de Avogadro se expresa matemáticamente como: Volumen / Moles = Constante o (V/m=K) Ejemplo Un ejemplo simple de la ley de Avogadro es cuando inflamos un globo. A medida que el globo se va inflando entra más moléculas de dióxido de carbono y el volumen va aumentando. La temperatura y la presión se mantienen constantes. Ley de los gases ideales La ley de gases ideales conjuga las leyes de Boyle, Charles, Gay-Lussac y Avogadro, relacionando las cuatro cantidades: presión, volumen, temperatura y moles. La ley de los gases ideales se expresa matemáticamente como: Presion ∗ volumen = moles ∗ temperatura ∗ R PV = mRT En esta ecuación, R representa la constante de la ley de los gases ideales. También se puede expresar como: R tiene un valor de: R =8. L. KPa K. mol
Latm Kmol
LmmHg Kmol
Esto significa que el amoníaco difunde a una velocidad 1,37 veces mayor que el oxígeno molecular. Ley de las presiones parciales de los gases La presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones de cada gas individualmente. Las presiones parciales fue un concepto presentado por el químico inglés John Dalton (1766-1844). La ley de Dalton se expresa matemáticamente como: Ejemplo En un contenedor de 2 L se encuentra 0,40 atm de oxígeno gaseoso y 0,60 atm de gas nitrógeno. La presión total del contenedor será: La presión dentro del contenedor será igual a 1 atm.
