Román Torres Ricardo Iván GRUPO 3
Resumen del capítulo 1 del libro “Termodinámica” “Termodinámica”
de Kenneth Wark
Para comenzar a entender la termodinámica, es importante definir su campo de estudio. La termodinámica es la ciencia que estudia las transformaciones energéticas y las relaciones entre las propiedades energéticas de las sustancias. sustancias . Existen dos ramas principales que dividen el estudio de la termodinámica: La termodinámica clásica y la termodinámica estadística. La primera tiene un enfoque macroscópico considerando las propiedades de las sustancias como resultado de nuestra percepción sin recurrir a la naturaleza de las partículas individuales; por otro lado la termodinámica estadística realiza como su nombre lo indica un estudio estadístico del comportamiento individual de grupos de partículas, dependiendo en todo momento de la concepción microscópica del comportamiento de la materia. Las propiedades de la materia para la termodinámica estadística son un reflejo del comportamiento de un gran número de partículas La termodinámica en ingeniería se limita únicamente a la termodinámica clásica, que resulta más práctica para problemas de aplicación y de gran escala. Esta ciencia pese a ser formulada ya hace mas de un siglo, conserva su lugar fundamental en el medio científico y en la ingeniería, ya que su alcance es enorme y sus postulados increíblemente simples. Contrariamente a lo que podría pensarse, son las nuevas teorías de la estructura las que deben ajustarse a su estudio, no a la inversa, la medida en la que estas sean congruentes con este estudio será la medida del éxito de sus estudios. Conceptos Fundamentales. Para hablar de termodinámica hace falta establecer una serie de definiciones para los términos de uso recurrente y que son esenciales para su comprensión. El primer concepto fundamental es el de sistema, sistema, un sistema termodinámica es aquella porción del universo que limitamos para su estudio. Ahora intuitivamente surge el segundo concepto fundamental, para delimitar el sistema haremos uso de una frontera, que frontera, que se define como el mecanismo que delimita al sistema, diferenciándolo del resto del universo, ahora la parte del universo que puede interactuar con el sistema es llamada entorno o entorno o alrededores Existen muchos tipos de frontera, en un principio puede considerarse solamente la superficie exterior del sistema o una barrera física, es decir un recipiente. Por otra parte también puede existir una frontera que sea meramente una concepción matemática, que separe por ejemplo a una porción de un fluido o un solido del resto del mismo. Respecto a las fronteras físicas existen categorías de especial importancia para la termodinámica, que van relacionadas directamente con distintos tipos de sistemas que se definirán a continuación. El primer criterio de clasificación es el intercambio de materia, un sistema que permite el intercambio de materia es llamado abierto, abierto, y un sistema que no permite ningún intercambio es llamado cerrado. Ahora, cerrado. Ahora, las fronteras que perm iten el intercambio no reciben ningún tipo de denominación particular, mientras que las del sistema cerrado se clasifican de a cuerdo a la permisibilidad del intercambio de energía. Un sistema que no permite la transferencia de energía es llamado aislado, aislado, la frontera de dicho sistema se llama adiabática, adiabática, la frontera de los sistemas cerrados que sí permiten el intercambio energético son llamadas diatérmicas. El primer paso para realizar cualquier análisis termodinámico siempre será la elección del sistema, delimitándolo por su respectiva frontera e identificando los alrededores. Para seguir con la descripción de un sistema hacemos uso de las propiedades o coordenadas termodinámicas (llamadas así por los ejes coordenados). Estas son características que describen al sistema macroscópicamente sin considerar cambios anteriores que pudiesen haber ocurrido. Existen tres tipos de propiedades: las directamente mesurables como la masa, las que se obtienen como resultado de operaciones con las primeras como la densidad y finalmente las que son el resultado de las definiciones de termodinámica, tal es el caso de la temperatura. Una segunda clasificación es constituida por la dependencia de la magnitud con la cantidad de materia o el “tamaño del
sistema”. Aquellas cuya magnitud varía cuando hay mas o menos cantidad de sustancia son llamadas extensivas, algunos ejemplos son la masa, y el volumen. Las propiedades que permanecen constantes pese a los cambios en la cantidad de materia son llamadas intensivas, un ejemplo de estas es la temperatura. Ya que es mas conveniente estudiar un sistema sin que su tamaño afecte las propiedades de enfoque en cuestión al estudiar otros sistemas de la misma naturaleza, aparecen las llamadas propiedades específicas o valor específico medio de la variable en cuestión. Un ejemplo es la densidad, definida como p=m/v, siendo m (masa) y v (volumen) ambas extensivas. Definamos ahora un estado como aquella condición de un sistema para la cual han sido definidas un cierto número de propiedades llamadas grados de libertad, a partir de las cuales los valores numéricos de las propiedades restantes quedan determinados. La termodinámica pone estudiará únicamente los llamados estados de equilibrio, y así sus leyes quedaran definidas únicamente para estos. Definimos equilibrio termodinámico como el estado en que el valor numérico asignado a las variables termodinámicas que los describen no cambia con el tiempo. Algunos definen el equilibrio termodinámico como la conjunción del equilibrio mecánico (la resultante de las fuerzas que actúan en el sistema es cero), el equilibrio químico (no hay interacciones en forma de reacciones químicas en el sistema) y el equilibrio térmico (el sistema se encuentra a la misma temperatura), sin embargo utilizar en este momento este último resulta inadecuado para un desarrollo lógico pues el equilibrio térmico como medida de la igualdad de la temperatura empírica requiere del equilibrio termodinámico para ser definido. Los estados de un sistema que no están en equilibrio no son estudiados pues la dependencia entre las variables no es aplicable debido a las múltiples interacciones al interior. Como sabemos la termodinámica tiene como uno de sus objetivos fundamentales establecer relaciones entre las variables de un sistema cuando éste sufre cambios entre estados de equilibrio. Definamos ahora un proceso como el mecanismo mediante el cual un sistema cambia de estado. Si visualizamos un proceso como una trayectoria entre dos puntos en el espacio podemos reconocer distintos tipos de procesos. Un proceso cíclico es aquel en el que los dos puntos coinciden. Si podemos trazar una curva correspondiente a distintos estados de equilibrio a lo largo de la trayectoria se dice que el proceso en cuestión se llama quasi estático, si no existe una representación geométrica se dice entonces que el proceso es irreversible. Cuando ocurre un proceso podemos reconocer dos nuevas clasificaciones para las magnitudes de las variables o propiedades que definen al sistema. Si el cambio en la magnitud de la propiedad depende del estado inicial y final únicamente son llamadas funciones de estado. Son funciones de proceso aquellas cuya magnitud varia de acuerdo al proceso. Si estudiamos un proceso como una integración de diferenciales, el diferencial de las funciones de estado llamado diferencial exacto siempre es el mismo al ser integrado entre dos límites, mientras que el diferencial inexacto que corresponde a las funciones de proceso varia al ser integrado dependiendo del camino del proceso, es decir la suma de los diferenciales conduce a resultados distintos en cada proceso. Variables importantes para el estudio termodinámico Densidad La densidad ρ se define como la masa por unidad de volumen (m/v). Para cuestiones prácticas consideramos también la densidad relativa definida como el cociente entre su densidad y la densidad del agua. Las unidades de presión. La unidad básica en el Si es el pascal (Pa=1N/m^2). Para los cálculos de presión es importante tener en cuenta la fuerza ejercida por la columna de fluido gaseoso en un punto. En virtud de los principios de hidrostática podemos afirmar que en un punto específico de un fluido la presión es la misma en todas las direccione. Para fines prácticos del cálculo de presiones se ha tomado una medida estándar para la medida de dicha presión, la llamada presión atmosférica. Estrictamente se define como la presión ejercida por una columna de mercurio de 760 mm de altura a 273.15 K bajo una aceleración estándar de la gravedad. Las mediciones de presión ser absolutas o manométricas tomando como criterio para esta clasificación la consideración de la presión atmosférica. La presión absoluta es aquella que se mide respecto a la presión cero, la presión manométrica es la diferencia entre la presión absoluta del fluido y la
presión atmosférica. Una presión manométrica negativa recibe frecuentemente el nombre de presión de vacío. Ley Cero de la termodinámica. Para enunciar la ley cero partimos de la consideración de dos sistemas, separados mutuamente por una pared adiabática y al mismo tiempo aislados de los alrededores por fronteras de igual manera adiabática. Si cambiamos la pared que separa a ambos sistemas por una pared diatérmica, las propiedades de cada sistema variarán hasta alcanzar un estado de equilibrio. Ahora si consideramos tres sistemas A, B y C separados respectivamente y de sus alrededores por paredes adiabáticas, si cambiamos la pared que separa a A y C por una diatérmica, midiendo la temperatura del sistema, y posteriormente ya restablecida la frontera adiabática entre A y C realizamos el mismo proceso con B y C y obtenemos la misma medida de temperatura, podemos afirmar no solo que A y C, tanto como B y B están en equilibrio, sino que también podemos afirmar que A y B se encuentran mutuamente en equilibrio. Este principio constituye la ley cero de la termodinámica que se enuncia de la siguiente manera: Si de tres sistemas A, B y C, A y B se encuentran separadamente en equilibrio con C, entonces A y B están en equilibrio. Recíprocamente “Si tres o más cuerpos se encuentran en contacto térmico, uno a uno , por medio de paredes diatérmicas y se encuentran en equilibrio todos juntos, entonces dos cualesquiera tomados separadamente se encuentran en equilibrio”. La ley cero de la termodinámica es una formalización del principio que hacía referencia al calentamiento relativo de los cuerpos
