Termodinámica: Sistemas, Equilibrio y Procesos Clave

Sistemas Termodinámicos y Procesos Fundamentales

Sistemas termodinámicos: Entidad macroscópica con extensión en el espacio y en el tiempo, separada del medio exterior o alrededores por una superficie cerrada y cuyo estado puede describirse mediante las coordenadas termodinámicas. Trataremos sistemas cerrados, en los cuales no hay flujo de materia a través de la superficie de separación. Solo hay transferencia de calor y trabajo.

Equilibrio Termodinámico

Equilibrio termodinámico: El sistema no tiende a experimentar ningún cambio espontáneo que modifique sus coordenadas termodinámicas.

Transformaciones Termodinámicas

Transformación: Un sistema se transforma o evoluciona cuando pasa de un estado de equilibrio inicial A a otro de equilibrio final B.

Tipos de Procesos

• Proceso reversible: Los estados intermedios son de equilibrio.
• Proceso cuasiestático: El sistema se encuentra en todo instante en un estado infinitamente próximo al de equilibrio termodinámico.
• Proceso irreversible: Los estados intermedios no son de equilibrio.

Principios de la Termodinámica

Principio Cero de la Termodinámica

Principio 0 de la termodinámica: Dos sistemas aislados A y B puestos en contacto prolongado alcanzan el equilibrio térmico. Si A y B separadamente están en equilibrio térmico con C, están también en equilibrio térmico entre sí.

Todos los sistemas en equilibrio térmico con uno de referencia tienen en común una misma propiedad: su temperatura.

El Calor y el Calor Latente

El calor: Es la energía en tránsito, ningún cuerpo almacena calor. 1 cal = 4.186 J, es positivo cuando entra al sistema y negativo cuando sale.

Calor latente: Se denomina calor latente de cambio de fase de una sustancia, la cantidad de calor necesaria para efectuar a temperatura constante el cambio de fase de la unidad de masa de la sustancia. Si tenemos una masa m, la cantidad de calor necesaria para que cambie de fase será Q=m.l siendo L es el calor latente.

Primer Principio de la Termodinámica

Principio 1 termodinámica:

Sistema Adiabático

Sistema adiabático: El aumento de temperatura depende de la energía suministrada y no de cómo se le suministra. Podemos definir una función U de forma que -W=U2-U1 siendo U energía interna.

Si el proceso no es adiabático: -W=U2-U1-Q Si la transformación es infinitesimal: dQ=dU+dW. Si el trabajo es debido únicamente a la expansión: dQ=dU+PdV.

Si la transformación es cíclica (estado inicial y final coinciden) dU=0 y el primer principio quedará Q=W. Todo sistema en funcionamiento periódico para producir trabajo consume una cantidad equivalente de calor.

Procesos Termodinámicos Específicos

Proceso Politrópico

Proceso politrópico: Procesos termodinámicos sobre gases ideales durante los cuales el calor específico del gas permanece constante.

Veamos cuál es la ecuación de un proceso politrópico: c= 1/n . dQ/dT .... dQ=n.c.dT dU=dQ-dW n.cv.dT=n.c.dT-P.dV

n.(c-cv)dT=p.dV

Proceso Isócoro (V=cte)

Proceso Isóstero: V=cte W=integral2-1 P.dV=0 Q=U2-U1=incrementodeU

Proceso Isóbaro (P=cte)

Proceso Isóbaro: P=cte W=inte2-1 P.dV=P.inte2-1dV=P.(V2-V1) Q=U2-U1+W=(U2+P.V2)-(U1+P.V1) W=(U+P.V)2-(U+P.V)1 U+P.V=H entalpía Q= H2-H1=incremH

Proceso Isotérmico (T=cte)

Proceso isotermo: T=cte increU=0 Q=W=inte2-1 P.dV para gas ideal-- P.V=n.R.T Q=W=inte2-1 n.R.T.dV/V=n.R.T-inte2-1 dV/V Q=W=n.R.T.L.V2/V1

Proceso Adiabático (dQ=0)

Proceso adiábatico: dQ=0 0=dU+P.dV n.Cv.dT=-n.R.T.dV/V Cv.dT=-(Cp-Cv).T.dV/V dT/T= -(Cp-Cv)/(Cv) . dV/V

inte2-1 dT/T= -(ganma -1) inte2-1 dV/V ganma es coeficiente de la adiabática

L.T2/T1= (ganma-1).L.V1/V2 T1.V1elevado a ganma-1 = T2.V2elevado a ganma-1 Multiplicando los dos miembros por R=(P1.V1)/T1=(P1.V2)/T2 se obtiene P1.V1elevado a ganma=P2.V2elevado a ganma

en la transformacion adiabatica W=-inte2-1 dU= -inte2-1 n.Cv.dT W= n.Cv.(T1-T2)