Termo - conceptos basicos

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    18-Nov-2015

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conceptos basicos de termodinamica para facultad

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<ul><li><p> CAPTULO 1. CONCEPTOS BSICOS </p><p> Sistema, frontera y entorno ....................................................................................................................... 2 </p><p>Tipos de sistemas .................................................................................................................................. 3 Magnitudes termodinmicas. Estados y procesos ..................................................................................... 3 </p><p>Estimacin de incertidumbres ............................................................................................................... 6 Volumen, masa, peso y cantidad de sustancia ...................................................................................... 8 Presin ................................................................................................................................................... 9 Temperatura. La escala Celsius .......................................................................................................... 11 </p><p>Equilibrio trmico ................................................................................................................................... 13 Estados de equilibrio metastables ....................................................................................................... 14 </p><p>Estado de referencia. Estado estndar. Estado normal ............................................................................ 14 Propiedades del aire. Modelo de gas perfecto ..................................................................................... 15 Propiedades del agua. Modelo de lquido perfecto ............................................................................. 18 </p><p>Energa trmica. Modelo de sustancia perfecta ...................................................................................... 18 Leyes de la termodinmica ..................................................................................................................... 20 Recapitulacin ......................................................................................................................................... 21 </p><p>Cuestiones ........................................................................................................................................... 21 Problemas ............................................................................................................................................ 22 Experimentos ...................................................................................................................................... 23 </p><p> Este temario se ha preparado pensando en estudiantes universitarios que ya han cursado asignaturas de fsica, qumica y clculo (en sus niveles ms elementales), y que, por tanto, ya conocen el mtodo cientfico (observar, predecir y comprobar), el sistema internacional de magnitudes y unidades (SI, ISQ), la ecuacin de estado de los gases ideales (pV=nRT), y el clculo diferencial e integral en varias variables, incluyendo el reconocimiento de las letras griegas y otros smbolos matemticos usuales. Se ha elegido un enfoque prctico (lo til atrae recursos), enseando a resolver problemas desde el principio y fomentando la apreciacin de la utilidad del aprendizaje; i.e. primando el clculo predictivo antes que la fenomenologa y el formalismo algebraico termodinmicos. De todas formas, conviene que el profesor haga ver al alumno que la termodinmica no es esencial para resolver problemas, aunque es de gran ayuda (e.g. el problema de la preparacin del agua del bao de un beb, Ejercicio 1.10, puede y suele resolverse sin ayuda de las ecuaciones de la termodinmica, por tanteos experimentales hasta cogerle el punto; la experiencia ahorra muchos clculos; pregntese a alguien cmo lo hace, o cmo lo hara). La termodinmica es una ciencia bsica para el estudio de todo proceso fsico, qumico o biolgico, siendo adems esencial en las aplicaciones ingenieriles de trasiego energtico: calor, fro, movimiento, tratamiento de materiales (inertes y vivos), etc. Si hubiera que elegir un solo caso de estudio, tal vez el frigorfico domstico fuese el mejor paradigma; el propsito de esta mquina no es trivial (apenas llevamos 100 aos generando fro artificial, frente a ms de 200 000 aos generando calor), dentro de estos aparatos se encuentran a la vez las tres fases del agua (hielo en cubitos y en contacto con el vaporizador del fluido de trabajo, agua lquida de las bebidas y alimentos, y vapor de agua disuelto en el aire encerrado), y sirva para ilustrar la mayora de los aspectos trmicos bsicos: sistema y ambiente, aislamiento y adiabaticidad, sistemas cerrados o abiertos, fuentes trmicas, compresiones y expansiones, transmisin de calor, efectos trmicos sobre los alimentos... Y lo tenemos muy a mano. </p></li><li><p>La produccin de fro es algo complicado y novedoso. La aplicacin trmicas ms antiguas pudiera ser la calefaccin de habitculos (cuevas y casas) cuando la temperatura ambiente no es adecuada para el ocio o el negocio, aunque otras aplicaciones del fuego, como la iluminacin y la coccin de alimentos debieron desarrollarse tambin en pocas remotas. La termodinmica naci en el siglo XIX para predecir la potencia motriz del fuego, que ha permitido la sustitucin de la esclavitud de personas y animales por mquinas en la Revolucin Industrial, para el transporte de personas y mercancas (los viajes han pasado de varios das a algunas horas), para la fabricacin de bienes de uso y consumo en la produccin de alimentos (maquinaria agrcola, irrigacin, fertilizantes, molienda), y para otros muchos servicios de mejora de la calidad de vida (iluminacin artificial, calefaccin, refrigeracin, telecomunicaciones, informtica); casi el 90% de toda la energa consumida a nivel mundial sigue basndose en la combustin, siendo el resto nuclear (tambin trmica) y tan solo un 3% hidroelctrica (las dems no-trmicas cuentan menos). Se podra discutir si este desarrollo tecnolgico es bueno o malo (e.g. contaminacin, accidentes, despilfarro, materialismo...), pero es difcil pensar en un futuro sin electricidad y sin combustibles. Ms que por el desarrollo cientfico y tecnolgico, los problemas ambientales vienen por el mal uso de dichos conocimientos y herramientas (para lo que conviene que los que saben enseen, y los que no saben aprendan). En una lista de los mayores logros de la ciencia (Science 251, pp. 266-267, 1991) los cuatro principales eran: 1) El comportamiento del universo es predecible, 2) Un solo conjunto de leyes describe todo tipo de movimiento, 3) La energa ms la masa se conserva en todo sistema aislado (1 ley de la termodinmica), y 4) La energa de todo sistema aislado siempre evoluciona hacia formas menos tiles (2 ley de la termodinmica). En este captulo se introduce el lenguaje propio de la termodinmica: los conceptos bsicos de sistema, frontera y entorno, los tipos de variables termodinmicas, el estado termodinmico de referencia, los modelos termodinmicos de gas perfecto y de lquido perfecto, y el concepto de estado de equilibrio termodinmico. La ciencia se basa en conceptos bien definidos y sus relaciones, y la falta de rigor en el uso de las palabras, induce a la confusin de ideas y puede desembocar en graves errores de decisin. </p><p>Sistema, frontera y entorno La termodinmica se basa en un anlisis global de un sistema (el objeto de estudio elegido por el observador), que se considera separado de su entorno por una frontera real o imaginaria que lo delimita. El conjunto de todos los sistemas que participan en una evolucin (sistema ms entorno) se llama universo termodinmico. Muchos de los procesos termodinmicos ocurren en el interior de equipos, como la combustin dentro de los cilindros del motor principal de un coche, la transmisin de calor en un radiador de calefaccin por agua caliente, la compresin del vapor de trabajo en el compresor de un frigorfico, etc., lo que induce a tomar como frontera del sistema la carcasa del aparato, pero otras veces la eleccin de frontera no es tan evidente, como cuando se quiere estudiar algn procesos atmosfricos (desde la evaporacin en un charco al efecto Fhn). En termodinmica, el entorno (o ambiente, o exterior) suele ser el aire de la atmsfera, pero a veces ser tambin el agua, el suelo... o el ambiente interestelar. En cualquier caso, puede considerarse que un sistema slo interacciona con el exterior a travs de la frontera, pues de las cuatro fuerzas fundamentales de la fsica (gravitatoria, electromagntica, fuerte y dbil), en los sistemas usuales, con dimensiones en el rango de 10-9 m a 103 m, slo es necesario tener en cuanta la electromagntica, y la gravitatoria con el cuerpo celeste ms prximo, pues la gravitatoria entre sistemas de tamao humano es despreciable (aunque medible, como en la balanza de Cavendish), y las fuerzas fuerte y dbil slo actan por debajo de 10-15 m. An ms; excepto para sistemas con carga elctrica neta o gran dipolo magntico, en los que las fuerzas de interaccin pueden extenderse varios centmetros (e.g. entre imanes), basta considerar las interacciones electromagnticas de corto alcance, tpicamente de tamao monoatmico (10-10 m), por lo que la frontera termodinmica se supone que es una </p></li><li><p>superficie geomtrica sin espesor (aunque, en algunos casos haya que adjudicarle propiedades fsicas propias, como la tensin superficial). El anlisis termodinmico clsico es de tipo 'caja negra', i.e. estudia las interacciones energticas a travs de la frontera entre el sistema y el entorno sin entrar en el detalle de la mecnica de los fluidos en su interior o en el entorno. Adems, en la termodinmica clsica se adopta siempre un sistema de referencia espacio-temporal galileano, i.e. un sistema inercial en el que la nica fuerza volumtrica es la del campo gravitatorio terrestre que energticamente se evala como energa almacenada en el sistema, y no como trabajo de fuerzas exteriores. Eso hace que el anlisis termodinmico sea bastante sencillo, pero que slo sirva para estudiar estados de equilibrio, o que necesite informacin adicional (e.g. sobre la importancia de los efectos viscosos en el movimiento del fluido en el interior del equipo). Respecto a la estructura interna de los sistemas termodinmicos, siempre se tratarn como sistemas continuos y no como sistemas de partculas. Seguiremos usando los modelos elementales de slido, lquido y gas, que en termodinmica tienen la importancia en orden inverso (i.e., ms los gases y menos los slidos), y denominando fluido indistintamente a lquidos y gases, estudindose la continuidad en sus comportamientos ms adelante; pero sin entrar en detalles reolgicos ms avanzados; de hecho, asimilaremos todos los gases al aire y todos los lquidos al agua, ajustando slo unos pocos parmetros (densidad, capacidad trmica), y nos limitaremos a sistemas homogneos (nada de dispersiones coloidales, ni suspensiones, ni geles). Hay que hacer notar que, aunque no se hace gran uso en este texto de descripciones termodinmicas microscpicas, es importante que se tenga una idea clara de lo que hay y lo que ocurre dentro de esa 'caja negra' del sistema termodinmico, pues no es que desconozcamos el detalle, si no que no queremos entrar en l (por eficiencia, no por ignorancia). </p><p>Tipos de sistemas Atendiendo a las caractersticas de la frontera (que la elige el observador), los sistemas se clasifican en: </p><p> Sistema aislado. Es el sistema limitado por una frontera que no permite ningn tipo de interaccin con el entorno. La frontera en este caso ha de ser impermeable (no permite el paso de materia), rgida (no permite transmitir trabajo) y adiabtica (no permite transmitir calor). El contenido de un frasco Dewar (un termo) puede ser la mejor aproximacin a un sistema aislado. </p><p> Sistema cerrado (o de masa de control, MC). Es el sistema limitado por una frontera impermeable a la materia (i.e. estanco, hermtico), pero que permite intercambiar energa entre el sistema y el entorno, bien sea por movimiento de la frontera (trabajo) o por flujo trmico a su travs (calor). El ejemplo tpico de sistema cerrado en termodinmica es el gas contenido en un sistema cilindro-embolo. </p><p> Sistema abierto (o de volumen de control, VC). Es el sistema limitado por una frontera permeable a la materia (normalmente permeable por algunas partes, que llamaremos aberturas, e impermeable por el resto, que llamaremos carcasa). Aunque puede haber sistemas abiertos con carcasa rgida y adiabtica (y por tanto sin interaccin energtica a travs de las paredes), los flujos de materia ya trasvasan energa entre el sistema y el entorno. Un ejemplo de sistema abierto es una simple tubera o un calentador a gas. </p><p>Magnitudes termodinmicas. Estados y procesos Magnitud fsica es toda caracterstica medible de un sistema; estado, es la condicin que adopta un sistema en un instante dado (que puede ser de equilibrio o no); proceso es una sucesin temporal de estados. En termodinmica se usan cinco de las siete magnitudes bsicas del sistema (SI) internacional de unidades, SI (longitud, tiempo, masa, temperatura y cantidad de sustancia), pero es que la cantidad de </p></li><li><p>magnitudes derivadas es desbordante (baste mencionar que, para la energa, adems de los conceptos mecnicos de trabajo, energa cintica y energa potencial, se han de aadir los de calor, energa interna, entalpa, potencial de Helmholtz, y potencial de Gibbs; o que, para especificar la composicin de una mezcla se usan fracciones molares, fracciones msicas, densidades. concentraciones..., cada una con su simbologa y sus ecuaciones de equivalencia). Las magnitudes termodinmicas pueden clasificarse atendiendo a diferentes aspectos: por su variabilidad, por su temporalidad, por su proporcionalidad (como se ver en el apartado siguiente), etc. Atendiendo a su variabilidad, las magnitudes termodinmicas pueden clasificarse en dos grupos: </p><p> Constantes universales. La ms importante en termodinmica es la constante universal de los gases, que es un valor experimental, R=8,314470,00002 J/(molK), que puede aproximarse por R=8,3 J/(molK). Para la radiacin trmica se hace uso de la constante de Stefan-Boltzmann =(5,67040,00004)108 W/(m2K4), que puede aproximarse por =5,67108 W/(m2K4). Adems de estas constantes universales generales, se hace mucho uso de otras constantes que en realidad no son ms que valores de referencia definidos internacionalmente, como la constante gravitatoria terrestre g9,80665 m/s2 (a nivel del mar puede variar en el rango (9,78..9,83) m/s2 segn el sitio, y puede aproximarse por 9,8 m/s2), la temperatura del punto triple del agua Ttr273,16 K (por definicin), el origen de la escala Celsius Ttr273,15 K (por definicin), la temperatura de referencia terrestre T0=288,15 K (15 C por convenio; experimentalmente se llega a valores medios de 15,30,2 C), la presin de referencia terrestre p0100 kPa (por convenio; experimentalmente se llega a valores medios de 101,30,2 kPa; antes de 1988 se usaba como referencia p0101,325 kPa, que corresponda a la de una columna de 760...</p></li></ul>