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TERMODINAMICAIng. Pablo Gandarilla C.

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Contenido

TERMODINAMICA

Conceptos y definiciones

Propiedades de una Sustancia Pura

Calor y Trabajo

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¿Qué estudia la termodinámica?

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Termodinámica

La Termodinámica es la rama de la física general que estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la energía, y cómo esta energía puede convertirse en trabajo.

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¿Qué es un sistema termodinámico?

En un sistema termodinámico las propiedades pueden ser descritas únicamente y totalmente, especificando ciertos parámetros macroscópicos como ser: Temperatura, Presión y Volumen, estos representan las propiedades medias del sistema.

• Un sistema termodinámico es una región del universo elegida para el estudio o análisis termodinámico. La región del universo exterior del sistema con la que puede intercambiar energía, calor o trabajo es llamada ambiente, alrededores o entorno. La frontera de un sistema es el límite que señala la superficie de contacto que comparten el sistema y el ambiente.

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Sistemas termodinámicos

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Proceso termodinámico

Es el cambio de estado de una sustancia o un sistema, desde unas condiciones iniciales (estado inicial) hasta unas condiciones finales(estado final) por una trayectoria definida

Proceso Isobárico Proceso Isocórico Proceso isoentálpico Proceso isotérmico Proceso adiabático Proceso isoentrópico

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Fase

Se denomina fase a cada una de las partes macroscópicas de una composición química y propiedades físicas homogéneas que forman un sistema.

Ej. : El grafito y el diamante son dos formas alotrópicas del carbono; son, por lo tanto, fases distintas, pero ambas pertenecen al mismo estado de agregación (sólido)

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Fase

Cantidad de materia que es homogénea tanto en composición química como en estructura física.

Agua

Líquida Sólida Gaseosa

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Propiedades termodinámicas

Intensivas: si dentro de los límites del sistema, son independientes de la cantidad de sustancia como por ejemplo la temperatura, la presión, el volumen específico, densidad, etc.

Extensivas, cuando sus valores son directamente proporcionales a la masa del sistema como por ejemplo el volumen, la masa, la energía entre otras.

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Propiedades Extensivase Intensivas

Las propiedades extensivas dependen de la cantidad de la sustancia el valor es proporcional al tamaño de sistema

Las propiedades intensivas no dependen de la cantidad de sustancia por lo que el valor permanece inalterable al subdividir el sistema inicial.

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Sistema de unidades

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EQUILIBRIO TERMODINAMICO

En Termodinámica se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando las variables intensivas que describen su estado no varían a lo largo del tiempo.

Cuando un sistema no está aislado, el equilibrio termodinámico se define en relación con los alrededores del sistema. Para que un sistema esté en equilibrio, los valores de las variables que describen su estado deben tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores.

Cuando un sistema cerrado está en equilibrio, debe estar simultáneamente en equilibrio térmico y mecánico.

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PRESION

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ABSOLUTA También conocida

como presión real. Es la presion

de un fluido medido con referencia al

vacio.

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MANOMETRICASon presiones superiores a la atmosferica.Si el valor

absoluto es cte.. La presión

atmosférica crece.

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PRESION

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PRESION

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TEMPERATURA

Es la magnitud referida a las nociones comunes de caliente o frio.

También se define como la magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico.

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VOLUMEN ESPECÍFICO

El volumen específico es el volumen ocupado por unidad de masa de un material. Es la inversa de la densidad, por lo cual no dependen de la cantidad de materia. Ejemplos: dos pedazos de hierro de distinto tamaño tienen diferente peso y volumen pero el peso específico de ambos será igual. Este es independiente de la cantidad de materia que es considerada para calcularlo.

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Es una sucesión de procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema.

CICLO

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LEY CERO

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Establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.

Es decir que todas las formas de energía pueden intercambiarse, pero no se pueden destruir ni crear, por lo cual la energía total del universo permanece constante. Cualquier energía que un sistema pierda deberá ser ganada por el entorno y viceversa.

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Sustancias puras

Se llama sustancia pura a aquella que no se puede descomponer en otras mediante procedimientos físicos (como calentamiento o un campo magnético).Es posible que la sustancia pura se descomponga por procedimientos químicos.

Se considera una sustancia pura aquella que mantiene la misma composición química en todos los estados. Una sustancia pura puede estar conformada por más de un elemento químico ya que lo importante es la homogeneidad de la sustancia.

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EstadosLíquido saturado

Es aquel que esta a punto de vaporizarse, es importante que cuando una sustancia pura está como liquido saturado esta se halla totalmente en ese estado, como liquido.

Vapor saturado

Es un vapor que esta punto de condensarse. en esta fase la sustancia esta toda como vapor y es necesario retirar el calor o aumentar la presión para provocar que se generen gotas de líquidos.

Vapor recalentado o sobrecalentado

Es el vapor que esta a una temperatura más alta que la temperatura de vapor saturado por lo cual está todo como vapor pero no a punto de condensarse.

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Líquido subenfriado, cuando la sustancia está como líquida a una temperatura menor que la temperatura de saturación ( T < Tsat) para una presión determinada.Líquido comprimido, cuando la sustancia está como líquida a una presión mayor que la presión de saturación (P > Psat) a una temperatura determinada.  

Diferencia entre Vaporización y Evaporación

Vaporización es el cambio de estado de líquido a vapor, evaporación es un Proceso físico por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente para vencer la tensión superficial.

Estados

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PUNTO CRITICO

En las matemáticas un punto critico es un lugar donde una función tiene el gradiente idéntico a cero, pero en las ciencias físicas un punto critico es aquel limite para el cual el volumen de un liquido es igual al de una masa igual de vapor

PUNTO TRIPLEEs aquel en el cual coexisten en equilibrio el estado sólido, el estado liquido y el estado gaseoso de una sustancia. Se define con una temperatura y una presión.

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GRAFICA DEL VAPOR SATURADO DE AGUA

EN FUNCION DE PRESION Y VOLUMEN

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Humedad y Título

La humedad se define como la masa del líquido sobre la masa total húmeda

Es la cantidad de vapor de agua contenida en la atmosfera.

𝑌=𝑚𝑙

𝑚𝑌=

𝑚𝑙

𝑚𝑣+𝑚𝑙

0≤𝑌 ≤1

El título se define como la masa de vapor sobre la masa total húmeda

Es también llamada calidad o sequedad.

𝑋=𝑚𝑣

𝑚𝑋=

𝑚𝑣

𝑚𝑣+𝑚𝑙

0≤ 𝑋 ≤1

𝑋+𝑌=1

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CALOR Y TRABAJO

El calor es la sensación que experimenta un ser vivo ante una temperatura elevada.

La física entiende el calor como la energía que pasa de un cuerpo a otro o de un sistema a otro, es decir es un fenómeno transitorio.

El término trabajo se refiere a una actividad propia del ser humano.

El trabajo es la transferencia de energía relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia.

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CALORSENSIBLE LATENTE

Calor sensible: Es aquel que recibe un cuerpo o un objeto y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado.

Calor latente: Calor que se manifiesta por cambio de fase. Es decir, es calor involucrado en la evaporación y la condensación. Ocurre a presión y temperatura constante.

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CALORSENSIBLE LATENTE

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Calor específico

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El calor específico es la energía necesaria para elevar 1 °C la temperatura de un gramo de materia. El concepto de capacidad calorífica es análogo al anterior pero para una masa de un mol de sustancia (en este caso es necesario conocer la estructura química de la misma).

El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura.

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Calor o flujo calorífico

El calor o flujo calorífico  es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).

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Kilocaloría (Kcal) y la Unidad Térmica Británica (BTU)

La BTU o BTu es una unidad de energía inglesa. Es la abreviatura de British Thermal Unit. Se usa principalmente en los Estados Unidos. Ocasionalmente también se puede encontrar en documentación o equipos antiguos de origen británico. En la mayor parte de los ámbitos de la técnica y la física ha sido sustituida por el julio, que es la unidad correspondiente del sistema internacional.

La caloría grande o caloría-kilogramo, representa la energía calorífica necesaria para elevar en un grado Celsius la temperatura de un kilogramo de agua. Esta definición corresponde a la kilocaloría propiamente dicha y equivale a 4,1868 kJ.

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Trabajo Mecánico

Es una magnitud escalar que depende del módulo de una fuerza aplicada sobre un punto material y el desplazamiento que esta le produce. 

Para que exista trabajo debe aplicarse una fuerza mecánica a lo largo de una cierta trayectoria.

El trabajo para mover un cuerpo depende de la fuerza aplicada sobre el objeto y de la distancia recorrida.

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PotenciaEs la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Se define potencia como la rapidez a la cual se efectúa trabajo, o bien, como la rapidez de transferencia de energía en el tiempo.

Potencia = W/t = trabajo/tiempo = energía transformada/tiempo.

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Unidades de la Potencia

• Sistema Internacional (SI):vatio, (W)• Sistema inglés:caballo de potencia o horse power, (HP)

1 HP = 550 ft·lbf/s1 HP = 745,699 871 582 270 22 W• Sistema técnico de unidades:

kilográmetro por segundo, (kgm/s)• Sistema cegesimalergio por segundo, (erg/s)• Otras unidades:caballo de vapor (CV)

1 CV = 75 kgf·m/s = 735,49875 W

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Trabajo mecánico y calor

La unidad de trabajo en el Sistema Internacional de Unidades es el julio (suele conocerse como Joule), que se define como el trabajo realizado por una fuerza de 1 newton a lo largo de un metro. El trabajo realizado por unidad de tiempo se conoce como potencia. La potencia correspondiente a un julio por segundo es un vatio (watt)" N. m = J "

La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es la misma que la de la energía y el trabajo: el joule. Otra unidad ampliamente utilizada para medir la cantidad de energía térmica intercambiada es la caloría (cal).

El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit, y equivale a 252 calorías.

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Convención de Signos del Trabajo y Calor

Uno de los criterios de signos que se suele utilizar en termodinámica para evaluar los intercambios de energía entre un sistema y su entorno, en forma de calor y trabajo, según la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), es el siguiente:• Positivo para el trabajo y el calor entregado al sistema.• Negativo para el trabajo y el calor cedido por el sistema.

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