Equilibrio térmico y proceso Equilibrio térmico y proceso termodinámico.termodinámico.

índiceíndice

1. 1. Equilibrio térmico.Equilibrio térmico.

1.1 Variables termodinámicas.1.1 Variables termodinámicas.

1.2 Estado de un sistema.1.2 Estado de un sistema.

1.3 Equilibrio térmico.1.3 Equilibrio térmico.

1.4 Foco térmico.1.4 Foco térmico.

1.5 Contacto térmico.1.5 Contacto térmico.

2. 2. Proceso Termodinámico.Proceso Termodinámico.

2.1 Procesos Isotérmicos.2.1 Procesos Isotérmicos.

2.2 Procesos Isobáricos.2.2 Procesos Isobáricos.

2.3 Procesos Isócoros.2.3 Procesos Isócoros.

2.4 Procesos Adiabáticos. 2.4 Procesos Adiabáticos.

1.Equilibrio térmico.1.Equilibrio térmico. Toda sustancia por encima de los 0º Kelvin (-273.15º Centígrados)

emite calor. Si 2 sustancias en contacto se encuentran a diferente temperatura, una de ellas emitirá más calor y calentará a la más fría. El equilibrio térmico se alcanza cuando ambas emiten, y reciben la misma cantidad de calor, lo que iguala su temperatura.

NotaNota: : estrictamente sería la misma cantidad de calor estrictamente sería la misma cantidad de calor por gramo, ya que una mayor cantidad de sustancia por gramo, ya que una mayor cantidad de sustancia emite más calor a la misma temperatura.emite más calor a la misma temperatura.

1.1 1.1 Variables Termodinámicas.Variables Termodinámicas.Las variables que tienen relación con el estado interno de un sistema, se Las variables que tienen relación con el estado interno de un sistema, se llaman llaman variables termodinámicasvariables termodinámicas o o coordenadas termodinámicascoordenadas termodinámicas, y entre , y entre

ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son:ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son: La MasaLa Masa:Es la magnitud que cuantifica la cantidad de materia de un Es la magnitud que cuantifica la cantidad de materia de un cuerpo. La unidad de masa, en el Sistema Internacional de Unidades es cuerpo. La unidad de masa, en el Sistema Internacional de Unidades es el kilogramo (Kg). Es una cantidad escalar y no debe confundirse con el el kilogramo (Kg). Es una cantidad escalar y no debe confundirse con el peso, que es una fuerza.peso, que es una fuerza.

El VolumenEl Volumen::Es una magnitud definida como el espacio ocupado por Es una magnitud definida como el espacio ocupado por un cuerpo.un cuerpo.

La DensidadLa Densidad::Es una magnitud referida a la cantidad de masa Es una magnitud referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen, y puede utilizarse en términos contenida en un determinado volumen, y puede utilizarse en términos absolutos o relativos.absolutos o relativos.

La PresiónLa Presión::Es una magnitud física que mide la fuerza por unidad de Es una magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie.fuerza resultante sobre una superficie.

La TemperaturaLa Temperatura::Es una magnitud referida a las nociones comunes Es una magnitud referida a las nociones comunes

de calor o frío.de calor o frío.

1.2 estado de un sistema.1.2 estado de un sistema.Un sistema que puede describirse en función de coordenadas termodinámicaUn sistema que puede describirse en función de coordenadas termodinámica

se llama sistema termodinámico y la situación en la que se encuentra definidose llama sistema termodinámico y la situación en la que se encuentra definido

por dichas coordenadas se llama estado del sistema. por dichas coordenadas se llama estado del sistema.

1.3 Equilibrio Térmico.1.3 Equilibrio Térmico.Un estado en el cual dos coordenadas termodinámicas independientes X e YUn estado en el cual dos coordenadas termodinámicas independientes X e Y

permanecen constantes mientras no se modifican las condiciones externas sepermanecen constantes mientras no se modifican las condiciones externas se

dice que se encuentra en equilibrio térmico. Si dos sistemas se encuentran endice que se encuentra en equilibrio térmico. Si dos sistemas se encuentran en

equilibrio térmico se dice que tienen la misma temperatura. Entonces se puedeequilibrio térmico se dice que tienen la misma temperatura. Entonces se puede

definir la temperatura como una propiedad que permite determinar si undefinir la temperatura como una propiedad que permite determinar si un

sistema se encuentra o no en equilibrio térmico con otro sistema.sistema se encuentra o no en equilibrio térmico con otro sistema.

El equilibrio térmico se presenta cuando dos cuerpos con temperaturasEl equilibrio térmico se presenta cuando dos cuerpos con temperaturas

diferentes se ponen en contacto, y el que tiene mayor temperatura cede calor diferentes se ponen en contacto, y el que tiene mayor temperatura cede calor

al que tiene más baja, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura.al que tiene más baja, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura.

1.4 Foco térmico.1.4 Foco térmico.Un foco térmico es un sistema que puede entregar y/o recibir calor, pero sinUn foco térmico es un sistema que puede entregar y/o recibir calor, pero sin

cambiar su temperatura. cambiar su temperatura.

1.5 Contacto térmico.1.5 Contacto térmico.Se dice que dos sistema están en contacto térmico cuando puede haberSe dice que dos sistema están en contacto térmico cuando puede haber

transferencia de calor de un sistema a otro. transferencia de calor de un sistema a otro.

2.Proceso 2.Proceso Termodinámico.Termodinámico.

Se denomina Se denomina proceso termodinámicoproceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes a la evolución de determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema físico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben físico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interaccióninteracción de un de un sistema con otro tras ser eliminada alguna sistema con otro tras ser eliminada alguna ligaduraligadura entre ellos, de forma que entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre si. entre si.

De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas los cambios de un sistema, desde unas condiciones inicialescondiciones iniciales hasta otras hasta otras condiciones condiciones finalesfinales, debidos a la desestabilización del sistema., debidos a la desestabilización del sistema.

Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al menos una de las coordenadas transformación termodinámica, cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son: termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son:

2.1 Procesos Isotérmicos.2.1 Procesos Isotérmicos. Se denomina Se denomina proceso isotérmicoproceso isotérmico o o proceso isotermoproceso isotermo al cambio de temperatura al cambio de temperatura

reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio de temperatura reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio de temperatura constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal en constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal en contacto permanente con un termostato es un ejemplo de proceso isotermo, y puede contacto permanente con un termostato es un ejemplo de proceso isotermo, y puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como conoce como foco calientefoco caliente. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, . De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la gas ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q = W.Q = W.

Una curva isoterma es una línea que sobre un diagrama representa los valores Una curva isoterma es una línea que sobre un diagrama representa los valores sucesivos de las diversas variables de un sistema en un proceso isotermo. Las sucesivos de las diversas variables de un sistema en un proceso isotermo. Las isotermas de un gas ideal en un diagrama P-V, llamado diagrama de Clapeyron, son isotermas de un gas ideal en un diagrama P-V, llamado diagrama de Clapeyron, son hipérbolas equiláteras, cuya ecuación eshipérbolas equiláteras, cuya ecuación es

P•V = constante.P•V = constante.

2.2 Procesos Isobáricos.2.2 Procesos Isobáricos. Proceso IsobáricoProceso Isobárico es aquel proceso termodinámico que ocurre a presión es aquel proceso termodinámico que ocurre a presión

constante. En él, el calor transferido a presión constante está relacionado constante. En él, el calor transferido a presión constante está relacionado con el resto de variables mediante: con el resto de variables mediante:

Donde:Donde:

Q=Q=Calor transferido.Calor transferido. U=U=Energía Interna.Energía Interna.

P=P=Presión.Presión.

V=V=Volumen.Volumen.

En un diagrama P-V, un proceso isobárico aparece como una línea horizontal.En un diagrama P-V, un proceso isobárico aparece como una línea horizontal.

2.3 Procesos Isócoros.2.3 Procesos Isócoros. Un Un proceso isocóricoproceso isocórico, también llamado , también llamado proceso isométricoproceso isométrico o o

isovolumétricoisovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; Δpermanece constante; ΔVV = 0. Esto implica que el proceso no realiza trabajo = 0. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como:presión-volumen, ya que éste se define como:

ΔW = PΔVΔW = PΔV,,

donde donde PP es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema). es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).

Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que Q, el Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que Q, el cambio de la energía interna del sistema es:cambio de la energía interna del sistema es:

Q = ΔUQ = ΔU para un proceso isocórico: es decir, todo el calor que transfiramos al sistema para un proceso isocórico: es decir, todo el calor que transfiramos al sistema

quedará a su energía interna, quedará a su energía interna, UU. Si la cantidad de gas permanece constante, . Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura,temperatura,

Q = nCVΔTQ = nCVΔT

donde donde CCV es el calor específico molar a volumen constante.V es el calor específico molar a volumen constante.

En un diagrama En un diagrama PP--VV, un proceso isocórico aparece como una línea vertical., un proceso isocórico aparece como una línea vertical.

2.4 Procesos Adiabáticos.2.4 Procesos Adiabáticos. En termodinámica se designa como En termodinámica se designa como proceso adiabáticoproceso adiabático a aquel en el cual a aquel en el cual

el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar conoce como proceso isentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante, se denomina como proceso isotérmico.permanezca constante, se denomina como proceso isotérmico.

El término El término adiabáticoadiabático hace referencia a elementos que impiden la hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no de llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesos de hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.y su humedad relativa.

El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas. Esto puede ser ocurren debido al cambio en la presión de un gas. Esto puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales.cuantificado usando la ley de los gases ideales.

Ejemplo de los procesos termodinámicos:Ejemplo de los procesos termodinámicos:

Por ejemplo, dentro de un termo donde se echan agua caliente y cubos de Por ejemplo, dentro de un termo donde se echan agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso adiabático, ya que el agua caliente se empezará a hielo, ocurre un proceso adiabático, ya que el agua caliente se empezará a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezará a derretir enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezará a derretir hasta que ambos estén en equilibrio térmico, sin embargo no hubo hasta que ambos estén en equilibrio térmico, sin embargo no hubo transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de un proceso adiabático. un proceso adiabático.