Termodinamica Unidad 1

UNIVERSIDAD YACAMBÚ

VICERECTORADO ACADÉMICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

Prof. Ing. Alejandra Escobar

TERMODINÁMICA

UNIDAD I. LA TERMODINÁMICA Y SUS LEYES. SUSTANCIAS PURAS

Competencia Contenido

Conocer la fundamentación teórica de las variables termodinámicas mediante la comprensión de los cambios de las propiedades de las sustancias en sus diferentes fases (sólido, líquido y vapor).

Analizar problemas numéricos apoyándose en la información presentada en tablas de propiedades termodinámicas. Introducción. Conceptos básicos de la termodinámica y sus leyes. Propiedades de las sustancias puras (extensivas, intensivas y específicas). Sistemas y procesos termodinámicos. Propiedades termodinámicas. Estado del sistema. Diagrama de fase P-v-T. Tablas de propiedades termodinámicas. Uso de las tablas de propiedades como herramientas de trabajo. Procedimiento sistematizado para la determinación de las fases (líquido, vapor) en un sistema. Interpolación lineal. Ejercicios de aplicación para la determinación de las variables del proceso utilizando las tablas.

INTRODUCCIÓN

¿Qué es la Termodinámica?

La palabra termodinámica se origina del griego y significa literalmente el estudio de las fuerzas que originan el calor. Hoy en día esta traducción no tiene mucho que ver con la esencia de lo que estudiamos bajo el concepto de termodinámica. La definición original ya no es válida pues la termodinámica no sólo estudia el calor, sino todo tipo de formas de energía (mecánica, eléctrica, química, nuclear, etc.). Hoy en día, la termodinámica abarca campos tan diversos como la ingeniería, la biología, la química, la medicina entre otras. Se podría decir que “la termodinámica es la ciencia que estudia las relaciones entre el calor, la energía y sus transformaciones”, de otra manera se puede definir como la ciencia que trata del calor, el trabajo y de aquellas propiedades de las sustancias que guardan alguna relación con calor y trabajo.

La termodinámica es una ciencia exacta que se origina a mediados del siglo XVIII como consecuencia de una necesidad de describir, predecir y optimizar la operación de las máquinas de vapor. Las leyes de la termodinámica como las planteamos hoy son el resultado de más de 250 años de experimentación e interpretación teórica. El hecho de que la termodinámica pretenda describir matemáticamente hechos observables nos da a nosotros una gran ventaja, ya que inadvertidamente conocemos muchos aspectos de nuestra propia experiencia cotidiana. La termodinámica se fundamenta en cuatro leyes universales denominadas las leyes cero, primera, segunda y tercera.

Hagamos un experimento sencillo en donde se demuestra el estudio de la termodinámica. Supongamos que tenemos un termómetro común pero sin marcas. Hoy lo ponemos en un vaso de agua fría, lo dejamos reposar y marcamos el nivel del mercurio en el termómetro. Al día siguiente repetimos la experiencia y el nivel del mercurio llega al mismo punto.

¿A qué conclusión podemos llegar? Nuestra intuición nos dice que ambos vasos estuvieron a la misma temperatura. Sin embargo ante las preguntas inocentes ¿Pero, qué es temperatura? ¿Por qué es esa afirmación válida? ¿Qué hace realmente un termómetro? quizás no tengamos una respuesta adecuada. Pronto la tendremos.

Imaginémonos ahora que tenemos tres vasos de agua marcados A, B y C. Usando el termómetro y el procedimiento descrito anteriormente observamos que A y B están a la misma temperatura y a su vez A y C están también a una misma temperatura. ¿Qué conclusión podríamos sacar sobre la relación de temperaturas entre los vasos B y C?

Naturalmente y sin ninguna sospecha afirmaríamos que los vasos B y C están a una misma temperatura. Aunque los resultados nos parecen obvios, no lo son ni lo fueron para los científicos del siglo pasado. La transitividad de la temperatura es la llamada ley cero de la termodinámica y nos establece la base teórica para efectuar mediciones de temperaturas.

Pensemos ahora en una cámara aislada como por ejemplo una cava de anime, en la cual colocamos dos vasos de agua a temperaturas distintas, digamos a 20 y 40 °C. Si los dejamos en reposo por un tiempo prudencial, ¿Cuál será la temperatura final de los vasos? Nuestra intuición nos dice que el vaso frío se calentará a medida que el caliente se enfríe. Es posible que ambos lleguen a equilibrarse a una temperatura intermedia. Sin advertirlo hemos usado el principio de conservación de energía térmica, que es un caso especial de la primera ley de la termodinámica.

Consideremos otro caso cotidiano. Al echar azúcar al café, esta se disuelve sola, nosotros para acelerar el proceso, lo agitamos con una cucharilla. Una vez disuelta la azúcar, por más que esperemos el tiempo que queramos, el azúcar no se va a separar del café. Del mismo café vemos que su aroma se esparce poco a poco por todo el cuarto, pero también sabemos que por sí solo, el aroma no se va a concentrar en un solo lugar. Por último, el café, inicialmente caliente se enfría, calentado en una mínima proporción el aire del cuarto (o el cuerpo de quien lo tomó). Sin embargo una taza de café no se puede calentar sola a cuenta de que se enfríe el medio ambiente. Nosotros sabemos que en lo anteriormente expuesto, las segundas opciones no ocurren en la naturaleza y sin embargo pudiesen cumplir con el principio de conservación de energía.

Existe en la naturaleza solo una dirección en la cual ocurren los fenómenos. La segunda ley de la termodinámica nos aclara que solamente ciertos procesos y direcciones son posibles y que no todo aquello que nosotros imaginamos es realizable aun cuando satisfagan las leyes de conservación de masa y energía.

El conocimiento sobre el comportamiento de la materia es de suma importancia en los análisis de ingeniería. Turbinas, túneles de viento, plantas de potencia nuclear, motores de todo tipo, polímeros y sus mezclas, imanes superconductores, refinerías de petróleo, procesos biológicos, son sólo algunos ejemplos de sistemas que requieren de un análisis termodinámico. Cuando se realizan de manera sistemática, dichos análisis no son difíciles. No es posible subestimar la importancia que tiene el uso de una metodología sistemática, sin la cual aún los problemas fáciles se pueden volver muy complicados.

CONCEPTOS BÁSICOS DE LA TERMODINÁMICA

Sistema

Un sistema termodinámico se define como una cantidad de materia fija sobre la cual se enfoca la atención para su estudio. Cualquier cosa externa al sistema es el espacio exterior y el sistema está separado del espacio exterior por los límites del sistema. Estos límites pueden ser móviles o fijos.

Hablando

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