Ley cero de la termodinámica

INTRODUCCION

El desarrollo del presente trabajo llevará al estudiante a tener conocimientos claros respecto al contenido del curso, afianzando conocimientos en el módulo que ayudará a realizar las diferentes actividades a ejecutar durante el curso de termodinámica.

OBJETIVO GENERAL

Entender los conceptos del curso de termodinámica mediante la elaboración de un resumen de conceptos, de igual forma familiarizarse con las diferentes ecuaciones que serán necesarias para el desarrollo de las actividades, con el fin de desarrollar en el estudiante aptitudes para el trabajo.

UNIDAD 1: LEY CERO, TRABAJO Y PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

CAPITULO 1: LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

Lección 1: Sistemas

Sección 1: Sistema termodinámico

En primer lugar es necesario precisar el concepto de sistema. Actualmente esta palabra es utilizada con muchas connotaciones, generalmente se habla de sistema como el conjunto de elementos interrelacionados entre sí que tienen funciones específicas encaminadas a un determinado fin o propósito, tal como se maneja en ingeniería de sistemas. En termodinámica, sin embargo, el concepto es mucho más general. Un sistema termodinámico es cualquier región o porción de materia que se quiera estudiar o analizar desde el punto de vista energético.

Lección 2: Ley cero de la Termodinámica

La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, los dos se encontrarán en equilibrio térmico entre sí. Este enunciado tan simple y obvio es uno de los pilares fundamentales de la termodinámica ya que permite establecer una definición para la temperatura. Así entonces, la propiedad común a todos los sistemas que se encuentren en equilibrio térmico es la temperatura.

Las diferencias de temperaturas en grados Celsius y Kelvin son idénticas, pero si se toma un determinado valor en la escala Kelvin será igual a los grados Celsius más 273.15.

T(K)=T(°C)+273.58 Ecuación 4

Lección 3: Calor

El calor es una forma particular de energía en transición que se identifica sólo cuando cruza las paredes del sistema que se encuentra a temperatura diferente de otro sistema o de los alrededores.

Ecuación 7

q=Q/m

Lección 4: Ecuación de Estado

El estado de una sustancia pura se describe en función de propiedades intensivas como P v y T, las cuales se relacionan mediante ecuaciones conocidas generalmente como ecuaciones de estado. La más sencilla de ellas es la muy conocida ecuación de estado de gas ideal, denominada así porque todo gas cuyas propiedades cumplan con esta relación se considera que tiene un comportamiento ideal. En general la mayoría de los gases reales a presiones bajas, como la presión atmosférica y temperaturas iguales o superiores a las del medio ambiente, tienen un comportamiento ideal.

PV = nRT Ecuación 16

Lección 5: Ecuación de estado (Continuación)

Constituye una mejora a la ecuación de Redlich - Kwong ya que se maneja una constante más la cual a su vez es función de otra constante conocida como factor acéntrico para cada gas.

Ecuación 32

P=RT/((V ̅-b))-a/(V ̅(V ̅+b) T^0,5 ) {1+m[1-(T/T_C )^2 ] }^2

CAPITULO 2: TRABAJO

Lección 6: Trabajo

Del estudio de la física Ud. debe saber que el trabajo es una forma particular de energía que corresponde a una magnitud escalar definida como el producto punto de dos magnitudes vectoriales: la fuerza y el desplazamiento realizado en la misma dirección de la fuerza. También recordará que matemáticamente el trabajo se expresa como:

Ecuación 35

W=∫_1^2▒Fdx

Lección 7: Diagramas termodinámicos

Son representaciones en coordenadas cartesianas de las propiedades de un sistema durante el transcurso de un proceso. Se utilizan para visualizar, predecir o analizar los cambios producidos en la medida en que ocurren diferentes procesos termodinámicos.

Los diagramas pueden ser planos o tridimensionales y las propiedades que se representan con mayor frecuencia son presión (P), volumen (V) y temperatura (T).

Lección 8: Diagramas termodinámicos (continuación)

Para cuantificar la proporción de vapor presente en una mezcla vapor líquido se utiliza una propiedad conocida como la calidad que se denota con la letra x y se define mediante la siguiente relación:

Ecuación 60

x= m_V/m

Lección 9: Propiedades termodinámicas

Propiedades intensivas y extensivas

Todo sistema termodinámico se caracteriza por unas propiedades que definen su estado energético. Estas propiedades se clasifican en intensivas si no dependen de la masa del sistema y extensivas si dependen de la masa o “extensión” del sistema. Así la presión y la temperatura son propiedades intensivas, mientras que el volumen, el número de moles o la masa son propiedades extensivas. Esta diferencia es necesaria tenerla en cuenta para posteriores análisis.

Ecuación 65

p=m/V

Lección 10: Capacidad calorífica

La capacidad calorífica de un sistema es la cantidad de calor transferida que es capaz de modificar su temperatura en un grado. Por tanto, la relación entre el calor transferido a un sistema y la diferencia de temperatura que ocasiona, constituye la capacidad calorífica. Generalmente esta propiedad se representa por la letra C y se define mediante la ecuación 77. La capacidad calorífica es una propiedad extensiva, entonces entre más masa tenga el sistema, mayor será su capacidad calorífica.

Ecuación 77

C=δQ/dT

CAPITULO 3: PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

Lección 11: Primera ley de la termodinámica

Experimentalmente se ha observado que en todo proceso cíclico, independiente de los procesos intermedios, el calor total intercambiado es igual al trabajo neto producido. Esta aseveración que no puede deducirse de ningún otro principio constituye el enunciado de la primera ley de la termodinámica que matemáticamente se expresa así:

Ecuación 112

∮▒〖δQ=∮▒δW〗

Lección 12: Entalpia

Recordando, la entalpía se define en función de la energía interna, de la presión y del volumen del sistema, mediante la relación H=U+PV o también en términos de propiedades intensivas como h=u+Pv. Por lo tanto tampoco se podría establecer un valor absoluto para la entalpía. Pero si se establece un estado de referencia ésta se puede calcular a partir de los valores de la energía interna.

Lección 13: Primera ley y reacciones químicas

Aplicación de la Primera ley a las Reacciones Químicas

Una reacción química implica la transformación de las sustancias denominadas reactantes en otras de naturaleza completamente distinta que se conocen como productos, durante la reacción se presentan cambios energéticos que si el sistema reactante se encuentra aislado térmicamente se manifiestan en un aumento o un descenso de la temperatura según el sistema libere o requiera calor.

Al calor involucrado en una reacción química a P y T constantes, se le conoce como calor de reacción, generalmente se representa por QR y se calcula mediante la diferencia entre las entalpías de los productos y las entalpías de los reactantes a las mismas condiciones de presión y temperatura.

Ecuación 133

Q_R=∆H=H_Productos-H_Reactivos

Lección 14: Ley de Hess

El químico ruso Germain Henry Hess enunció en 1840 que el cambio de entalpía en una reacción química es igual tanto si la reacción se realiza en una sola etapa o en varias etapas consecutivas. Este enunciado se conoce como la ley de Hess y es consecuencia de que la entalpía es una propiedad termodinámica y como tal una función de punto, por lo cual no depende del proceso en sí, sino de los estados inicial y final.

Ecuación 142

C_((Grafito))+1⁄2 O_(2(g))→CO_g

Lección 15: Calor integral de disolución

Al cambio de entalpía cuando un mol de soluto se disuelve en n moles de solvente a una temperatura de 25C y presión de 1 atmósfera se le denomina calor integral de solución.

Ecuación: AH ̅_S

UNIDAD 2: SEGUNDA LEY Y APLICACIONES DE LA TERMODINÁMICA

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