TERMODINÁMICA CLASE 1 CONCEPTOS … termodinámica es como una novia caprichosa, a veces la...
Transcript of TERMODINÁMICA CLASE 1 CONCEPTOS … termodinámica es como una novia caprichosa, a veces la...
TERMODINÁMICA CLASE 1CONCEPTOS BÁSICOS
Elaboró:
Profesor Efrén Giraldo T. MSc.Revisó:
Profesor Carlos A. Acevedo Ph.D
Presentación hecha exclusívamente con el fin de
facilitar el estudioImagen tomada de : http://hermandadebomberos.ning.com/m/discussion?id=3481697%3ATopic%3A1038026
Contenido
Energía¿Qué es la termodinámica?Dispositivos termodinámicosSistemas termodinámicosMezclas
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“La Termodinámica es una materia
divertida. La primera vez que se estudia, seentiende nada. La segunda, uno cree que laentiende, excepto por una o dos pequeñascosas. La tercera vez, uno sabe que no loentiende, pero para entonces se está tanacostumbrado al tema que ya no le molesta”.
Arnold Sommerfeld. (1868– 1951)
“La termodinámica es como unanovia caprichosa, a veces laentendemos y otras veces no quieredejarse ver de nosotros. Perocuando comienza a conocerse esimposible dejarla”
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La termodinámica parece unamateria tan contradictoria como lamisma existencia humana. Enambas se parte de supuestosimposibles para poder explicarlas. Espor esto que son tan fascinantes.
(Sala, 20014)
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LA ENERGÍA
El concepto de energía comúnmente seasocia con la capacidad de generarmovimiento o transformar algo. También conla capacidad de producir trabajo.
Igualmente con la posibilidad de un cuerpo osistema para producir fuerzas sobre otroscuerpos o sistemas, o sobre sus propiossubsistemas. En clases posteriores seestudiará más profundamente este concepto.
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¿TERMODINÁMICA?
Termodinámica, es la unión de tres partes claramente diferenciadas:
1. Thermos que viene a definirse como “caliente”
2. Dinamos que es equivalente a “fuerza”, “poder”, “movimiento”
–ico que significa “relativo a”.
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Por lo tanto la palabra termodinámicatiene relación con la energía y sutransporte, un fenómeno capaz deprovocar cambios y movimiento endiversos cuerpos.
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TERMODINÁMCIA, DEFINICIONES
“La termodinámica es el estudio de losvínculos existentes entre el calor, ylas demás formas de energía”.
Una de sus ramas (la clásica) analizalos efectos que poseen a nivelmacroscópico las modificaciones detemperatura, presión, densidad, masay volumen en los sistemas.
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“Termodinámica es la parte de laciencia que se encarga de estudiarlas relaciones existentes entre elcalor y el trabajo y la energía de uncuerpo, especialmente el calor queproduce un cuerpo para realizartrabajo”.
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La Termodinámica trata de lainteracciones entre los fenómenostérmicos, mecánicos y químicos.
La Termodinámica se define comouna ciencia macroscópica queestudia el calor, el trabajo, laenergía y los cambios que ellosproducen en los sistemas. (UPM,2014)
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Termodinámica estadística:
Estudia los sistemas microscópicos enequilibrio.
Estudia el comportamiento estadístico degrandes grupos de partículas.
Estudia sistemas termoeléctricos ytermoiónicos.
La termodinámica clásica está íntimamenterelacionada con los dispositivostermodinámicos.
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Dispositivos Termodinámicos
HACER CLIC: PISTÓN
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Figura 2. Esquema Iintercambiador de calorhttp://www.telecable.es/personales/albatros1/calor/transferencia_de_calor_07_intercambiadores.htm
Figura 1.Esquema de una caldera.http://www.sabelotodo.org/termicos/caldera.html
Otro dispositivo termodinámico es el pistón, el cual
es la base de muchos motores térmicos.
¿Por qué estudiar Termo?
Es una manera de saber cómo un sistema intercambia energía con su entorno.
Cómo se relacionan el trabajo W y la E en un sistema
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Figura 3. Intercambio de energía de un
sistema con su ambiente.http://www.wikillerato.org/Imagen:Intercambio_de_energia.jpg.html
Figura 4.Relación entre W y E
http://ciech-fisica.blogspot.com/p/relacion-trabajo-energia.html
Estamos rodeados de invencionestécnicas que hubiesen sido imposibles sinel empleo de la termodinámica:
El automóvil, los aviones y cohetes, elrefrigerador, el motor de combustióninterna, las turbinas, los calentadoressolares, la calefacción, el aireacondicionado, etc.
Seguidamente se hará un análisis devarios conceptos termodinámicos:
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SISTEMA TERMODINÁMICO
Un sistema es una región del espacio quese aísla para su estudio.
Puede intercambiar o no, energía y masacon los alrededores.
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Figura 5. Un sistema y sus componentes.
http://navarrof.orgfree.com/Docencia/Termodinamica/Conceptos/conceptos_fundamentales.htm
(UPM, 2014)
Alrededores o
Fronteras del sistema
Un sistema posee una frontera que lodelimita del resto del universo, puede ser:
1.Material (las paredes de un recipiente,por ejemplo)
2.Imaginarias (una sección transversal deun tubo de escape abierto, por ejemplo).
3. Móvil: cilindro-pistón
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Alrededores, ambiente o entorno
Es la zona del espacio que rodea al sistema y con la cuál éste interactúa mediante intercambios de energía o de masa.
Al conjunto del sistema, frontera y entorno se le denomina el universo.
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CLIC: TERMODINÁMICA
Clases de sistemas:
Cerrados
Abiertos
Aislados
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CLIC: TERMODINÁMICA
Sistemas Cerrados (control de masa)
Puede intercambiar energía con su entorno pero no materia.
(Cengel,2007)
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Ejemplo: Gas en una pipeta no
aislada con válvula cerrada.
Sistema: el gas.
Frontera fija y real: el cilindro.
Masa: el gas es constante y no
fluye.
Alrededores: aire atmosférico
Puede enfriarse o calentarse
según la T del medio o sea que
la energía puede entrar o salir.
masa no
E si
Figura 6. Un sistema cerrado
puede intercambiar E pero no masa
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Figura 7 . El reloj de arena en un ejemplo de sistema cerrado. La
cantidad de arena permanece constante, pero puede intercambiar
energía con el entorno. http://www.profesorenlinea.cl/Ciencias/entropia.htm
Sistema cerrado con frontera móvil: gas encerrado en un recipiente con un émbolo
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Ejemplo: Gas en un cilindro
con émbolo.
Sistema: el gas
Frontera: una fija (el cilindro),
otra móvil (el émbolo)
Masa: constante y no fluye
Alrededores: aire atmosférico
Puede enfriarse o calentarse
según la T del medio, la
energía puede entrar o salir,
por tanto puede intercambiar
energía.
Figura 8 : Gas en un recipiente con
frontera móvil.
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Trabajo_en_termodin%C3%A1mica_(GI
E)
Sistema abierto:(volúmenes de control)intercambia energía y materia con su entorno
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Figura 11. Sistema abierto http://tdinamica.blogspot.com/p/sistemas
abiertos.html
(Piñero, R. 2014)
Figura 9. Café caliente http://salud-y-republica.lacoctelera.net/post/2011/11/05/les-
provoca-tintico-o-juguito-frutas
Figura 10. Pipeta de gas con llave
abiertahttp://hermandadebomberos.ning.com/m/blogpost
?id=3481697%3ABlogPost%3A1911223
Un sistema aislado no puede intercambiar
materia m, ni energía E con su entorno.
E y m son constantes.
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http://tdinamica.blogspot.com/p/sistemas-cerrados-y-abiertos.html
Figura 12. Esquema de
Termohttp://fisicasuperficial.wordpress.com/termodinamica-y-transferencia-
de-calor/calor/
Figura 13. Sistema aislado
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Figura 14. Las tres clases de sistemas termodinámicos.http://joule.qfa.uam.es/beta-2.0/temario/introduccion/introduccion.php
Sustancias: elementos, compuestos, mesclas
Elementos
No se pueden descomponer deninguna forma en otras mássimples, son los elementos de latabla periódica.
Compuestos
Si se descompone en más de un elemento químico, se dice que la sustancia es compuesta
Mezclas04/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 26
Compuesto químico:
Un compuesto es un tipo de materiaconstituido por dos o más elementosdiferentes unidos químicamente enproporciones definidas.
Por ejemplo, 1 g de cloruro de sodiosiempre contiene 0,3932 g de sodio y0,607 g de cloro.
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CLIC: MEZCLAS
Molécula
La molécula está formada por launión de dos o más átomosmediante enlace químico.
Algunos átomos forman moléculas alunirse entre si átomos de un mismoelemento: 02 ,𝐻2, 𝐶𝑙2… . .
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Mezcla: Es la combinación de varias sustancias
Es posible la separación de una mezcla mediante procedimientos
Físicos:
Destilación
Evaporación
Suspensión y filtración
Mecánicos como:
La decantación
La imantación04/08/2014 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 29
Sustancias puras
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Mezclas
Figura 15. Sustancias puras
Las sustancias Puras
Poseen una composición química fija odefinida en cualquiera de sus partes.También poseen la misma composiciónquímica en los diferentes estados físicosde la materia (Líquido, sólido y gaseoso).
Presentan propiedades características,como la temperatura de ebullición(específica y constante) o la densidad.
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CLIC: SUSTANCIAS PURAS
Las sustancias puras pueden ser: elementos,
compuestos químicos y aún mezclas.
Las mezclas pueden ser sustancias puras perotienen necesariamente que ser en todas suspartes homogéneas: por ejemplo el aire.
Una mezcla de dos o mas fases de unasustancia pura puede ser a su vez sustanciapura si la composición química es la misma:ejemplo agua + hielo
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El aire líquido más el aire gaseosono es sustancia pura porque no eshomogénea.
Muchas sustancias puras estánformadas por un solo tipo desustancia o materia: El oro, elhierro, la sal, el agua…
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Mezclas homogéneas
En la mezcla homogénea las propiedades intensivas son las mismas en toda ella.
Estas propiedades intensivas son las queno dependen de la cantidad de materia:
densidad, viscosidad, calor específico
Las mezclas homogéneas o disoluciones son mezclas en las que no se distinguen sus componentes.
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Las mezclas heterogéneas son mezclas en las que se pueden distinguir sus componentes.
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http://cplosangeles.juntaextremadura.net/web/edilim/tercer_ciclo/cmedio/la_materia/las_mezclas/las_mezclas.html
Figura 17. Mezcla hetereogénea Figura 18. Mezcla hetereogénea
Coloides: Son mezclas que poseenpartículas muy pequeñas, que sóloson vistas con un microscopioelectrónico, se encuentran enconstante movimiento y choqueentre ellas en el medio que lascontiene. Ejemplos: Leche, Jalea,Aceite emulsionado…
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Bibliografía
Cengel, Y., y Boles, M. (2007). Termodinámica. Mc Graw Hill. 5ed. México.
Sala, A. (2014). Rompiendo la segunda ley de la termodinámica.Diaphoros Magazine. Año 1 no 1, Enero 2014. Tomado el día 24de Junio de 2014 de:http://diaphorosmag.files.wordpress.com/2013/12/diaphoros11.pdf
Piñero, R. (2014). Volúmenes de control. Tomado el 22 Junio de2014 de:
http://es.slideshare.net/YormanP/volumen-de-control
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Bibliografía
UPM: Página de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) –España:
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/sistema.html
Laplace. Departamento de Física aplicada III. Universidad de Sevilla:
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Sistemas_termodin%C3%A1micos_(GIE)#Sistemas_termodin.C3.A1micos
http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1157/html/11_sistemas_termodinmicos.html
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