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Curso intersemestral: Fundamentos de Termodinámica.
Termodinámica
- Es la ciencia que trata de las transformaciones de la
energía y de las relaciones entre las propiedades
físicas de las sustancias afectadas por dichas
transformaciones. (WARK)
- Es la parte de la Física que estudia a la energía y sus
manifestaciones, la dirección y las formas de
transmisión de ésta, y las propiedades que guardan
alguna relación con dicha energía. (GONZÁLEZ
OROPEZA, NÚÑEZ OROZCO)
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Termodinámica
La termodinámica trata acerca de la transformación de
energía térmica en energía mecánica y el proceso inverso, la
conversión de trabajo en calor. Puesto que casi toda la
energía disponible de la materia prima se libera en forma de
calor, resulta fácil advertir por qué la termodinámica juega
un papel tan importante en la ciencia y la tecnología.
(TIPPENS)
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Un sistema termodinámico es una región del espacio
tridimensional o una cantidad de materia, delimitada por
una superficie arbitraria.
La superficie que delimita el sistema termodinámico es
conocida como frontera. Dicha frontera puede ser real o
imaginaria, hallarse en reposo o en movimiento, y variar
de tamaño o forma.
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Las fronteras se pueden clasificar en función de las
interacciones que permiten, o no, que se establezcan entre
el sistema y su entorno.
Tipo de interacción Frontera
Permiten interacciones
Flujo de masa
Permeable Sí
Impermeable No
Influencia mecánica
Rígida móvil o estática Sí
Rígida inmóvil No
Influencia térmica
Diatérmica Sí
Adiabática No
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Un sistema abierto es aquel en el que tanto la masa como la
energía pueden atravesar las fronteras del mismo. Dicho sistema
también se conoce como volumen de control y a su frontera se le
conoce como superficie de control.
Un sistema cerrado o masa de control es un sistema en el que la
masa no atraviesa la frontera del mismo. Se permite que la
energía cruce las fronteras del sistema y que la sustancia cambie
su composición química mientras permanezca dentro de las
fronteras.
Tipos de sistemas
Abiertos Cerrados
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Cuando ni la masa ni la energía
atraviesan la frontera, el sistema se
conoce como sistema aislado, que es
un caso particular del sistema
cerrado.
¿Qué fronteras debe tener un sistema aislado?
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Sea un sistema en el que hay interacciones de trabajo
y de calor.
Las interacciones totales de calor y trabajo son:
W ; Q
Del experimento de Joule:
[{ W } { Q }] [{ W } { Q } 0
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Por analogía con
(^) d 0 (^ ^ = cualquier propiedad)
¿Qué tal que { W} + { Q} = dE?
Parece que la suma de las diferenciales del trabajo y del
calor (que cada una no es propiedad de la sustancia) es la
diferencial de una propiedad de la sustancia.
{ Q} + { W} = dE
[{ W } { Q }] 0
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Para una masa identificable, se puede escribir:
{ Q} + { W} = dE
Integrando:
I
II
I
II
I
{ Q }^ {^ W } EII^ E
Primera Ley de la
Termodinámica para un
sistema cerrado
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2 2 E MLT 2
2
[ ]
s
kg m E J N m u
Para un sistema cerrado:
II
I
E m [ ]
Por lo tanto la E es una propiedad extensiva.
m
E Donde: e
y e = la energía termodinámica específica.
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La U , energía interna es una propiedad extensiva.
u = la energía interna específica
m
U
La ecuación: E^ term E 2 E 1 Q^ W^
contiene toda la información necesaria para escribir la
ecuación de conservación de la energía en un sistema
cerrado, por lo que se le conoce como balance energético
general para un sistema cerrado.
La variación de energía del sistema es igual a la
transferencia neta de energía al sistema mediante la
interacción de calor mas la transferencia neta de energía al
sistema mediante la interacción trabajo.
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El cambio en la energía potencial
Otro de los efectos que se puede obtener al transferir
energía a un sistema termodinámico es un cambio de
altura con respecto a un nivel de referencia en el campo
gravitacional.
Sea la expresión mecánica: { W} = F ds
de la Segunda Ley de Newton F = m g
sustituyendo { W} = m g ds
Pero si dz = ds (considerando la dirección del campo
gravitacional).
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Cambio en la energía cinética
Sea la expresión mecánica: { W} = F ds
de la Segunda Ley de Newton:
dt
dv F ma m
Para un dt tenemos ds =Vdt
por lo tanto: ^ ^ vdt mvdv dt
dv W m
^
Integrando:
(Caso especial que no depende de la
trayectoria) 1856 Lord Kelvin
W m vdv m V V EC
1
2 2
2
1
2
1
^
1
2 EC m V 2 V
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Q W EC EP U
Podemos concluir que la expresión de la primera ley de la
termodinámica la usamos con mayor frecuencia sin hacer
uso de la energía termodinámica o total E, de manera que
dicha expresión queda como:
