Termodinámica (densidad, volumen, volumen especifico, etc)

Densidad

Definición: La densidad (ρ) se define como la masa por unidad de volumen. En general, la densidad de una sustancia depende de la temperatura y la presión. Aunque toda la materia posee masa y volumen, la misma masa de sustancias diferentes tienen ocupan distintos volúmenes, así notamos que el hierro o el hormigón son pesados, mientras que la misma cantidad de goma de borrar o plástico son ligeras. La propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez de una sustancia recibe el nombre de densidad. Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, más pesado nos parecerá.

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 La densidad de la mayor parte de los gases es proporcional a la presión e inversamente proporcional a la temperatura. Por otro lado, los líquidos y sólidos son en esencia sustancias no compresibles y la variación de su densidad con la presión es por lo regular insignificante.

El recíproco de la densidad es el volumen específico v, que se define como el volumen por unidad de masa. Es decir, Para un elemento de volumen diferencial de masa sm y volumen sv, la densidad se puede expresar como ρ= sm/sv.

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A 20°C, por ejemplo, la densidad del agua cambia de 998 kg/m3 a 1 atm, a 1 003 kg/m3 a 100 atm, un cambio de sólo 0.5%. La densidad de líquidos y sólidos depende más de la temperatura que de la presión. A 1 atm, por ejemplo, la densidad del agua cambia de 998 kg/m3 a 20°C a 975 kg/m3 a 75°C, esto significa un cambio de 2.3%, lo cual puede ignorarse en muchos análisis de ingeniería.

Ejemplo: un gas en un recipiente. Dentro de este recipiente consideremos un sistema formado por un pequeño cubo a través de cuyas paredes pueden salir y entrar las moléculas. Supongamos por último que tenemos la facultad de poder medir con infinita precisión tanto el volumen como la masa contenida dentro del cubo.

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Estamos conscientes, aunque no lo podríamos observar, que aunque el gas se vea homogéneo, está formado por una cantidad astronómica de partículas en movimiento. Hagamos cada vez el cubo más pequeño y veamos qué le pasa a la densidad. Mientras el cubo es lo suficientemente grande, la cantidad de partículas que salen y entran de él son despreciables frente al número total de ellas. Por tal motivo la densidad dentro del cubo permanecerá constante. Llegará el momento en que las dimensiones del cubo sean lo suficientemente pequeñas como para que la variación sea significativa, o sea que la entrada y/o salida de una partícula afecte el valor de densidad.

[pic 4] (CENGEL & BOLES, 2009)

Densidad relativa

Definición: La densidad relativa relaciona la densidad de la sustancia con la del agua, ambas a la misma temperatura.

La densidad de una sustancia se da como relativa a la densidad de una sustancia bien conocida. Entonces, se llama gravedad específica, o densidad relativa, y se define como el cociente de la densidad de una sustancia entre la densidad de alguna sustancia estándar a una temperatura especificada (normalmente agua a 4°C, para la que rH2O 1 000 kg/m3). Es decir,

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La densidad relativa de una sustancia es una cantidad adimensional. Sin embargo, en unidades SI, el valor numérico de la densidad relativa de una sustancia es exactamente igual a su densidad en g/cm3 o kg/L (o bien, 0.001 veces la densidad en kg/m3) puesto que la densidad del agua a 4°C es 1 g/cm3 1 kg/L 1 000 kg/m3.

Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0 °C.

Ejemplo: La densidad relativa del mercurio a 0°C, por ejemplo, es 13.6. Por lo tanto, su densidad a 0°C es 13.6 g/cm3 13.6 kg/L 13 600 kg/m3. En la tabla 1-3 se dan las densidades relativas de algunas sustancias a 0°C; observe que las sustancias con densidades relativas menores a 1 son más ligeras que el agua y, por lo tanto, flotarían en ésta. (CENGEL & BOLES, 2009)

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VOLUMEN

Definición: El volumen de un cuerpo o sustancia es el espacio tridimensional que ocupa.

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El Volumen es una magnitud escalar derivada que se obtiene multiplicando las longitudes referidas a las 3 dimensiones del espacio. X, Y, Z (o bien, podemos simplificar llamando los ejes cartesianos largo, ancho, profundidad. O también alto, ancho y profundidad) el volumen, por lo tanto, representa el espacio ocupado por un cuerpo. Un cuerpo de gran volumen ocupa mucho espacio (o bien porque tenga mucha materia, o bien porque sus partículas estén muy espaciadas), y un cuerpo de pequeño volumen ocupa poco espacio.

Los gases no sólo puedan modificar su volumen, sino que tienden a ocupar todo el volumen disponible. Si algo impide que las partículas que componen el gas puedan seguir alejándose unas de otras –una pared o un cuerpo sólido o líquido, la gravedad, lo que sea–, entonces el gas dejará de expandirse y ocupará el volumen correspondiente. Esto no pasaba en sólidos y líquidos porque sus partículas se mantienen juntas.

Ejemplo: Su unidad de medida en el sistema internacional es el metro cubo (obtenido por la multiplicación de m x m x m, es decir 3 longitudes). Sin embargo es bastante común la utilización del litro. La equivalencia de un litro en unidades del SI es de 0.1 m3 o 10 dm3. (CENGEL & BOLES, 2009)

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