Material 05.pdf

[Escribir texto] Página 42
LEYES DE LA TERMODINÁMICA
LEY CERO.
3.1Videos
1) https://www.youtube.com/watch?v=Bvfn6eUhUAc
2) https://www.youtube.com/watch?v=Bvfn6eUhUAc&list=RDCMUCbdSY
aPD-lr1kW27UJuk8Pw&start_radio=1&rv=Bvfn6eUhUAc&t=0&t=0
3) https://www.youtube.com/watch?v=juAPey-kYyk
4) https://www.youtube.com/watch?v=LAmBg7OzUcE
3.2 CONCEPTO
La ley cero, conocida con el nombre de la ley del equilibrio térmico fue enunciada
en un principio por Maxwel y llevada a ley por Fowler y dice:
“Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico
entre sí”.
El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas
equilibrados tienen la misma temperatura. Esta ley es de gran importancia porque
permitió definir a la temperatura como una propiedad termodinámica y no en
función de las propiedades de una sustancia. La aplicación de la ley cero
constituye un método para medir la temperatura de cualquier sistema escogiendo
una propiedad del mismo que varíe con la temperatura con suficiente rapidez y
que sea de fácil medición, llamada propiedad termométrica. En el termómetro de
CAPÍTULO
03

vidrio esta propiedad es la altura alcanzada por el mercurio en el capilar de vidrio
debido a la expansión térmica que sufre el mercurio por efecto de la temperatura.
Cuando se alcanza el equilibrio térmico, ambos sistemas tienen la misma
temperatura.
Ejemplo
Sean dos sistemas. En uno de ellos la temperatura se mide en grados
Fahrenheit y en el otro en grados Celsius. Si se obtiene la misma lectura en
ambos termómetros ¿Cuál es dicha lectura? ¿Los sistemas están en equilibrio
térmico?
3.2 PRIMERA DEL DE LA TERMODINÁMICA TRABAJO Y CALOR
La termodinámica trata del flujo del calor, conversión del calor en trabajo mecánico
transformación de una energía en otra. Por conveniencia se agrupan las formas
de la energía en 2 clases denominada Calor y Trabajo, siendo el calor la forma de
energía que se propaga bajo una caída de temperatura.
Al trabajo se considera a todas las formas de energía diferentes del calor, es
decir la acción de una fuerza por una distancia, la expansión de un gas contra
una presión opositora, la producción de energía eléctrica.
3.2.1 DEFINICIONES TERMODINAMICAS
Sistema.- Cualquier grupo de átomos, moléculas, partículas u objetos en estudio
termodinámico. Por ejemplo el agua dentro de un envase, el cuerpo de un ser vivo
o la atmósfera. Un esquema se muestra en la figura 1.
Ambiente: todo lo que no pertenece al sistema, es lo que rodea al sistema, sus
alrededores. Por ejemplo el exterior al envase donde está el agua, o el espacio
que rodea a la atmósfera (puede ser todo el Universo). Entre el sistema y el
ambiente puede haber intercambio de calor y de energía y se puede realizar
trabajo (figura 1).

Sistema cerrado: sistema en el cual no entra ni sale masa, pero que puede
intercambiar calor y energía con el ambiente.
Sistema abierto: sistema que puede tener variación de masa, como por ejemplo
intercambio de gases o líquidos, o de alimentos en los seres vivos.
Sistema cerrado aislado: sistema en el cual no se produce ningún intercambio
de calor o energía con el ambiente a través de sus fronteras.
También se clasifican:
A. Homogéneo.- Cuando es completamente uniforme, tal como un gas, o una
mezcla gaseosa, un líquido ó un sólido, y también una solución donde se
haya disuelto algún otro cuerpo.
B. Heterogéneo.- Cuando el sistema no es uniforme, si no que consiste en
dos ó más partes homogéneas que son separadas unas de otras por
definidas superficies físicas delimitadas.
Ejemplos el hielo, el agua y vapor de agua.
Parámetros Termodinámicos.- La propiedades que como variables
independientes, determinan el estado termodinámico del sistema, se les llama
parámetros termodinámicos.
Energía Interna.- Aunque el concepto de molécula no es vital en la
Termodinámica, a la luz del conocimiento atómico-molecular actual, su

consideración ayuda a comprender mejor el significado de algunas propiedades
termodinámicas.
Un sistema termodinámico está compuesto de una o varias sustancias, las que a
su vez están conformadas de átomos y moléculas. A la energía interna
contribuyen las siguientes formas de energías:
- Energía molecular traslacional(Utrasl )
- Energía molecular rotacional (Urot)
- Energía molecular vibracional (Uvib)
- Energía electrónica (Uelec) o de los electrones en la molécula (consta de energía
cinética y potencial de los electrones). Esta contempla la energía de los enlaces.
- Energía potencial de interacción entre las moléculas (Uinterm). Relacionada con
fuerzas intermoleculares que deciden el estado físico del sistema.
- Energía relativista de la masa en reposo m0 c2
de electrones y núcleos (Urelat)
En definitiva, la energía interna corresponde a la suma de las energías anteriores:
Uinterna = U = Utrasl + Urot+ Uvib+ Uelec+ Uinterm+ Urelat (2)
Estas energías tienen diferentes magnitudes, siendo su orden creciente
Utrasl < Urot < Uvib< Uelec << Urelat
La energía Uinterm es menor que la energía vibracional y cubre un rango
equivalente a la energía traslacional y rotacional.
Sin embargo, hay que considerar otras formas de energía. El sistema como un
todo es un cuerpo que puede estar en movimiento sujeto a un campo de fuerzas
externo. Por lo tanto deben, considerarse energías cinética y potencial
macroscópicas. Así la energía total corresponde a:

Etotal = Uinterna + Ecinet. macro + Epot. macro
Ahora bien si el sistema está en reposo y no está sujeto a interacción externa
alguna, entonces la energía cinética y potencial macroscópicas son nulas, siendo
la energía total igual a la energía interna del sistema.
Estado termodinámico de un sistema.- Es la condición definida por un número
mínimo de propiedades que permiten determinar las otras propiedades del
sistema. El estado de un sistema queda determinado con el conocimiento de los
valores de composición presión y temperatura en el caso de un sistema
gaseoso.
5.2.2 FUNCIONES DE ESTADO Y FUNCIONES DE TRAYECTORIA
Se llaman funciones de estado a aquellas propiedades que solo dependen del
estado del sistema y no dependen del camino seguido por el sistema para
alcanzar dicho estado.
Los valores absolutos de estas propiedades son difíciles de determinar por esta
razón se trabaja con cambios en los valores de estas propiedades y las
variaciones infinitesimales, son representaciones por diferenciales exactas.
U = E (energía interna)
dU
variación Incremento
Entalpia H1 - H2 dH
Energía Libre G1 - G2 dG
Las funciones de trayectoria son aquellas cuyo valor depende del camino
seguido por el sistema para seguir de un estado a otro.
ESTADO I ESTADO II

El cambio total en estas propiedades se obtienen sumando cantidades
infinitesimales por lo tanto estas propiedades no se representan por cantidades
exactas.
Son ejemplos de estas propiedades el calor y el trabajo
Cambio de estado de un sistema.- Es la variación observable o el cambio
detectable experimentalmente en una o más estados del sistema.
Proceso Termodinámico.- Es un cambio de estado en el cuándo se da
información adicional sobre el mecanismo, como la presión, temperatura u otra
propiedad varia cuando acontece el cambio. Para describir un proceso es
necesario especificar cada uno de los estados intermedios, mientras que para
describir un cambio de estado es suficiente especificar solo el estado inicial y el
estado final.
Los procesos más conocidos son los siguientes:
a) Isotérmico.- Cuando el cambio ocurre a Temperatura constante.
b) Isobárico.- Si la presión se mantiene constante.
c) Isocórico ó Isométrico.- Cuando la restricción del proceso es que el
parámetro V = cte.

d) Adiabático.- Cuando no hay intercambio de calor entre el sistema y los
sistemas limitantes, mientras el cambio ocurre.
e) Reversible.- Si está constituido de una serie de estados de equilibrio.
f) Cíclico.- Cuando el sistema retorna a su estado inicial después de realizar
una serie de cambios.
3.2.3 EQUILIBRIO QUÍMICO
Comprende a tres equilibrios diferentes que deben existir simultáneamente.
Primer el sistema debe estar en equilibrio térmico, tal que la temperatura sea la
misma en todo el sistema, segundo si el sistema consiste de más de una
sustancia debe haber también un equilibrio químico tal que su composición no
varíe con el tiempo; y finalmente el sistema debe estar en equilibrio mecánico, es
decir no debe existir movimientos macroscópicos dentro del sistema con respecto
a sus límites.
3.2.4 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
El primer principio de la termodinámica se refiere a la equivalencia entre las
distintas formas de energía, tiene varios enunciados por ejemplo:
“La energía no se crea ni se estruye sólo se transforma en el curso e los
fenómenos”
Otra manera de enunciar es:
“ n aumento en el conteni o e energía e un sistema requiere una
correspon iente isminución en el conteni o e energía e algún otro”
En termodinámica se utiliza éste modelo

u2
u1
El cambio es debido al calor absorbido menos el trabajo realizado.
Otra forma: El ingreso es igual a la salida más la acumulación
Ingreso = salida + acumulación
q= w + ∆
∆U = q – w
En términos infinitesimales:
3.2.5 Ecuaciones para el cálculo de presión versus volumen en un sistema
termodinámico.
1. La ecuación general para P Vs Volumen
w = trabajo
P
P2
Fdl=w

P = presión de operación
dV = diferencial de volumen
dw = Fdl
dw = diferencial de trabajo
F = fuerza
dl = distancia
Reemplazando:
dw = P.Adl
dw =PdV
2. Cuando la presión es constante
Entonces:
w = P(V2-V1)
3. Cuando la presión es variable
Cuando la variación de la presión está en función del volumen para realizar la
integración.
P = f(V)

Pg
Sustituyendo en la ecuación general:
ln
4. Cuando el volumen es constante
Cuando el volumen no varía: dV = 0, dw = 0
∆E = q – w
∆E = q
5. Cuando la temperatura es constante
En este caso se debe tener en cuenta si el proceso se realiza bajo una presión
constante o variable y de acuerdo a ello se utilizan los procedimientos
anteriormente utilizados.
6. En un proceso isotérmico reversible
En estos procesos reversibles en lugar de la presión de operación, se utiliza la
presión ejercida por el gas de manera que si el gas tiene un comportamiento ideal
tenemos:
P

∆U
PV = nRT
ln Para un gas ideal
Para un gas real:
ln
7. Proceso adiabático (no hay intercambio de calor)
En procesos adiabáticos el sistema no experimenta intercambio de energía con los
alrededores por lo tanto en la ecuación del primer principio de la termodinámica
tenemos:
P
Pg
w
q

Como en este caso no hay intercambio de calor entre un sistema y sus
alrededores, resulta:
q = 0
∆E = q - w
∆E = -w
EJERCICIOS DE APLICACIÓN DEL PRIMER PRINCIPIO DE LA
TERMODINÁMICA
1) Un gas se expande con una presión de 10atm desde 20 a 40 litros y
absorbe 300 calorías ¿Cuál es el cambio en la energía interna del gas?
2) Un gas se expande contra una presión variable por la relación P = 10/V
atm, donde V es el volumen en cada etapa de la expansión cuando ésta es
de 50 a a150l, el gas experimenta un cambio de energía interna de 200cal
¿Cuánto de calor intercambia el sistema gaseoso con los alrededores
durante el proceso?
3) 2l de nitrógeno a 0°C y 5atm de presión se expande isotérmicamente contra
la presión de 2atm hasta que finalmente el gas se encuentra también a ésta
última presión suponiendo que el gas tiene comportamiento ideal. Hallar el
valor de w, cambio de energía interna y calor.
4) Calcular el trabajo efectuado cuando 2 moles de hidrógeno se expanden
isotérmicamente y reversiblemente a 25°C de 15 a 50l.
5) Hallar el trabajo realizado cuando 2 moles de hidrógeno se expanden
isotérmicamente de 15 a 50l contra un presión constante de 1atm a la
temperatura de 25°C.

Material 05.pdf

Más contenido relacionado

Similar a Material 05.pdf (20)

Más de EdwardElvis (8)

Último (20)

Material 05.pdf