Unidad Uno De Termodinamica

Unidad 1 Fundamento teórico

1.1 Termodinámica y Energía

La Termodinámica es la rama de la Física que estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la energía, y cómo esta energía puede convertirse en trabajo (movimiento). Históricamente, la Termodinámica nació en el siglo XIX de la necesidad de mejorar el rendimiento de las primeras máquinas térmicas fabricadas por el hombre durante la Revolución Industrial.

La Termodinámica clásica (que es la que se tratará en estas páginas) se desarrolló antes de que la estructura atómica fuera descubierta (a finales del siglo XIX), por lo que los resultados que arroja y los principios que trata son independientes de la estructura atómica y molecular de la materia.

El punto de partida de la mayor parte de consideraciones termodinámicas son las llamadas leyes o principios de la Termodinámica. En términos sencillos, estas leyes definen cómo tienen lugar las transformaciones de energía. Con el tiempo, han llegado a ser de las leyes más importantes de la ciencia.

Antes de entrar en el estudio de los principios de la termodinámica, es necesario introducir algunas nociones preliminares, como qué es un sistema termodinámico, cómo se describe, qué tipo de transformaciones puede experimentar, etc. Estos conceptos están resumidos en el siguiente cuadro:

Energía: capacidad de un cuerpo o sistema para ejercer fuerzas sobre otros cuerpos o sistemas o entre sus propios subsistemas.

Si las fuerzas ocasionan variaciones temporales microscópicas y desordenadas, hay transmisión de energía en forma de calor. Si las variaciones son macroscópicas o microscópicas ordenadas (fenómenos eléctricos y magnéticos) hay transmisión de energía en forma de trabajo.

Existe una gran diferencia entre lo que se considera “energía” en el habla popular y el significado que se le atribuye en las ciencias físicas. Contrariamente a lo que ocurre en el campo de las ciencias, en lo popular el concepto “energía” usualmente no está asociado a alguna magnitud. Desde el punto de vista de la de las ciencias físicas, la noción intuitiva y popular es incompleta y totalmente inaceptable, pues falta incluir un aspecto esencial para la actividad científica: el cómo se mide esa energía. En lo que sigue se analiza brevemente la evolución reciente del concepto “energía” en las ciencias físicas y su relación con otras magnitudes físicas y con las mediciones.

Esta última dependencia resulta ser primordial para la correcta comprensión del concepto; se muestran ejemplos de cómo el obviar esta relación conduce usualmente a serios errores. De ahí que se recomiende extremo cuidado al analizar la posible introducción en los cursos de definiciones simplificadas o “novedosas” de las magnitudes físicas.

También existe una doble acepción del término energía; se puede utilizar tanto para: a) designar un tipo específico de energía (cinética, magnética) como para: b) indicar el lugar de donde provienen o se almacenan los diferentes tipos de energía (eólica, solar). En las ciencias físicas no tiene mucho sentido hablar de “energía” a secas, término que, aislado de algún otro que especifique el tipo de energía, no es una magnitud mensurable y carece de una definición concluyente.

1.2 Dimensiones y unidades

Cualquier medida física tiene dimensiones y debe ser expresada en las unidades.

Correspondientes a estas dimensiones de acuerdo a un sistema de unidades particular.

Dimensión: Es el nombre que se le da a las cantidades físicas, así: Longitud, masa, tiempo, etc.

Unidad: Es la medida de la dimensión. Por ejemplo: pie, metro, y milla son unidades de la dimensión longitud.

Los sistemas de unidades se clasifican en:

Absolutos: Aquellos donde las unidades de fuerza y energía son derivadas, como el Sistema Internacional (S.I.)

Gravitacionales: Los que no cumplen la condición anterior, para ellos la fuerza es una dimensión fundamental definida con base en la fuerza de atracción

Gravitacional al nivel del mar, un ejemplo es el sistema inglés.

1.3 Conceptos básicos

Sistemas termodinámicos

Sistema es la porción delimitada y especificada del mundo físico, que contiene cantidades definidas de sustancia que se consideran bajo estudio o constituyen nuestro interés.

Necesitamos además definir entorno o medio ambiente el cual es la zona del universo que interactúa con el sistema. Esta última definición tiene su importancia ya que determina con una mayor rigurosidad lo que se debe entender por Entorno o Medio ambiente.

Tipos de sistema

Aislado: no hay transferencia de masa o energía con el entorno.

Ej. : Un termo ideal (aislado y de paredes rígidas).

Cerrado: no transfiere masa pero sí energía en forma de calor, trabajo o radiación.

Ej. : Cualquier recipiente cerrado no ideal.

Abierto: transfiere masa y energía con su entorno.

Ej. : El cuerpo humano.

La mayoría de los sistemas en la vida real son abiertos, mientras que en el laboratorio la mayoría de los sistemas químicos son cerrados.

1.4 Propiedades

Las propiedades termodinámicas.

Son características que se pueden observar, medir o cuantificar en las sustancias o en los sistemas.

La cantidad y tipo de propiedades que se puedan establecer para un sistema dependen del tipo de observación que se halla establecido para el análisis del sistema. Por ejemplo si el enfoque usado es el macroscópico se pueden establecer propiedades como temperatura (T), presión (P), energía(e), energía interna(u), y entalpia(h) y otras, que de ningún modo serían establecidas utilizando el enfoque microscópico.

Para apropiar mejor esta definición, a continuación se hace detalle sobre dos aspectos primordiales de las propiedades.

Las propiedades termodinámicas y los sistemas de unidades.

Al considerar el enfoque macroscópico (termodinámica clásica) se habla de manifestaciones físicas del conjunto o propiedades de una sustancia; y para medir o cuantificar estas de forma directa o indirecta, se han planteado patrones de medida llamados sistemas de unidades.

Los sistemas de unidades son grupos o conjuntos de unidades patrón establecidas para medir o cuantificar propiedades físicas,

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