Tema I: Introducción

Contenido:

I.1 Ubicación y Objetivo de la Termodinámica

I.2 Definiciones Generales

I.3 Aspectos Formales

Silabario: Termodinámica Clásica.

García-Colín (GC).

Capítulo 1. Generalidades, p. 13-20.

Calor y Termodinámica.

Zemansky-Dittman (ZD).

Capítulo 1. Secciones 1-1 a 1-4.

Modern Thermodynamics.

Kandepudi-Prigogine (KP).

Introducción y Secs. 1.1 y 1.2.

I.1 Ubicación y Objetivo de la Termodinámica

Termodinámica Objetivo:

•  Estudiar el comportamiento interno de los sistemas desde una perspectiva macroscópica.

•  Estudiar las propiedades de la materia cuando son afectadas por cambios de la TEMPERATURA.

•  Obtener relaciones generales entre las coordenadas termodinámicas, coherentes con sus principios básicos.

I.2 Definiciones Generales

sistema

Medio Ambiente

Universo

pared

Pared del sistema: Mecanismo que separa al sistema del resto del universo. De su naturaleza dependerá la interacción del sistema con sus alrededores o medio ambiente.

sistema

¿interacción?

Tipos de Paredes*

Aislante: Impide toda interacción entre el sistema y alrededores.

Adiabáticas: Impiden la interacción térmica (no mecánica) entre el sistema y sus alrededores.

Diatérmicas: Permiten la interacción térmica.

NO Interacción mecánica

sistema

NO Interacción térmica

sistema

NO Interacción térmica

SI Interacción mecánica

sistema SI Interacción

mecánica SI Interacción

térmica

* Mientras no se diga lo contrario, suponemos

que no hay transporte de masa a través de las

paredes

De esta forma, decimos:

sistema Si: las paredes son aislantes Sistema aislado

sistema Si: las paredes son adiabáticas Sistema adiabáticamente aislado

sistema Si: las paredes son diatérmicas Sistema en contacto térmico

En relación a la nota con asterisco en alusión al transporte de masa a traves de las fronteras del sistema y sus alrededores.

Abierto: Permiten el transporte de masa y energía entre el sistema y alrededores.

Cerrado: Solo Impiden el transporte de masa entre el sistema y sus alrededores.

sistema

sistema

NO transporte de masa

Otra clasificación de Paredes

I.3 Aspectos Formales Coordenadas Termodinámicas: Conjunto de características macroscópicas del sistema, susceptibles de medirse experimentalmente.

Coordenadas Termodinámicas

Coordenadas de Estado

Variables Termodinámicas

Propiedades Termodinámicas ≡ ≡ ≡

magnetización

presión

volumen

Superficie

libre

resistencia

Tensión

superficial

Extensivas: SI Dependen de las dimensiones o tamaño del sistema. Son aditivas.

Clasificación de las Coordenadas Termodinámicas.

Ejemplos importantes: Masa, Volumen, Área, Longitud, etc.

sistema

1 2

coordenada

X

sistema

X1 X2 coordenadas

sistema

X = X1 + X 2

Clasificación de las Coordenadas Termodinámicas.

Intensivas: NO Dependen de las dimensiones o tamaño del sistema. No son aditivas.

Ejemplos importantes: Densidad, Temperatura, Presión, etc.

sistema

1 2

coordenada

X

sistema

X1 X2 coordenadas

sistema

X ! X1 + X 2

! = mV

=m1 +m2V1 +V2

=m1

V1 +V2+m2

V1 +V2! !1 + !2X = !Si:

Construcción de Variables Intensivas: Es común definir coordenadas intensivas como el cociente de dos coordenadas extensivas.

VariableIntensiva

!

VariableExensiva "1Variable

Extensiva " 2

Ejemplo Típico: Densidad

Densidad ! MasaVolumen

Posteriormente haremos patente el uso de una descripción termodinámica basada en variables termodinámicas de un tipo a otro. [Transformaciones de Legendre. Tema: Potenciales termodinámicos].

Grados de Libertad: Conjunto de coordenadas termodinámicas que son independientes unas de otras.

sistema

X, Y, Z, W 4 Coordenadas Termodinámicas

3 Indepedientes 1 Dependiente

W = F (X ,Y ,Z )

3 Grados de Libertad

ü ¿Cuántas Coordenadas

Termodinámicas son

Independientes?, es decir,

¿Cuál es el Número de

Grados de Libertad?

EXPERIMENTO

ü ¿Cuáles Coordenadas

Termodinámicas son los

Grados de Libertad?

ARBITRARIO

(Selección Personal)

Ejemplo: en el caso particular de un Sistema Hidrostático, las coordenadas termodinámicas sabemos que son:

P, V y T Si el sistema es un gas ideal su ecuación de estado es: Por lo tanto de las 3 coordenadas termodinámicas, solamente 2 coordenadas pueden ser independienes:

“El sistema tiene 2 grados de libertad” y por tanto podrán determinarse independientemente cualquier par de coordenadas termodinámicas:

P y V o P y T o V y T

PV = nRT

Generalmente el criterio para seleccionar a las coordenadas independientes lo define la precisión con la que Usted puede medirlas, la factibilidad experimental o sencillamente su conveniencia personal.

Estado Termodinámico: Lo constituye el conjunto de valores numéricos asociados a los grados de libertad del sistema.

(X1,Y1,Z1)(X 2 ,Y2 ,Z2 )!(Xn ,Yn ,Zn )

(X ,Y ,Z )Grados de Libertad del Sistema

n Estados Termodinámicos DIFERENTES

Estado Termodinámico 1

Estado Termodinámico 2

Estado Termodinámico n

Espacio Termodinámico: Espacio constituido por ejes ortogonales, a cada uno de los cuales asociamos un grado de libertad.

Los estados termodinámicos de un sistema quedan representados por puntos en el espacio termodinámico del sistema.

Equilibrio Termodinámico: Estado termodinámico caracterizado porque sus valores numéricos NO cambian en el tiempo.

El estado de un sistema aislado es de Equilibrio Termodinámico.

(X1,Y1,Z1)(X1,Y1,Z1)!(X1,Y1,Z1)

Estado Termodinámico

ÚNICO

tiempo t1tiempo

tiempo

t2

t3

Sistema aislado

¡No interacciona con su Medio Ambiente o alrededores!

(X1,Y1,Z1)Siempre!!

Proceso Termodinámico: Mecanismo mediante el cual el sistema pasa de un estado termodinámico a otro.

Trabajo (W)Calor (Q)

Sistema al inicio

Sistema al final

, ,i i iT X Y , ,f f fT X Yestado inicial

Vi, P

i

"Proceso Termodinámico"P

V

estado finalV

F, P

F

Estado Termodinámico

INICIAL

Estado Termodinámico

FINAL

Ejemplo:

Existen muchos tipos diferentes de procesos termodinámicos, sin embargo la clasificación mas importante, en este momento, es la de procesos cuasiestáticos y no-cuasiestáticos.

Proceso Cuasiestático: Los estados que lo componen son estados de equilibrio termodinámico.

La rep resen tac ión de l os procesos cuasiestáticos en el espacio termodinámico es en general una curva continua.

Para lograr un proceso cuasiestático deben realizarse de forma “suficientemente lenta” para que las coordenadas termodinámicas asuman valores que caractericen al sistema como un todo.

¿ Como es TF?

A F BT T T

En virtud de que la única restricción que removimos entre los sistemas fue el colocarles paredes diatérmicas ente si, no podemos atribuir el cambio en las coordenadas termodinámicas a la realización de algún tipo de trabajo.

¿ Qué es lo que produce este cambio?

…¿Una substancia?...

…¿Movimiento?...

En Termodinámica Clásica, las coordenadas NO son función del tiempo:

X ! X (t)

En Termodinámica Clásica, tampoco serán función de las coordenadas espaciales:

X ! X (r,t)

La Termodinámica de Procesos Irreversibles es quien estudia a los sistemas termodinámicos cuyas variables termodinámicas dependen del espacio y el tiempo.