Termodinámica: Estudia las transferencias de calor, la conversión de la energía y la capacidad de los sistemas para producir trabajo. Las leyes de la termodinámica explican los comportamientos globales de los sistemas macroscópicos en situaciones de equilibrio.

Variables Termodinámicas

Variables Termodinámicas: Presión, Volumen, Temperatura, etc.

Se utiliza para explicar el equilibrio térmico animal, fenómenos de Meteorología, equilibrio térmico del planeta, Sol, Galaxia, Universo.

Termodinámica Clásica vs. Termodinámica Estadística

Diferencia Termodinámica Clásica (Macroscópica) y Termodinámica Estadística (Microscópica)

La termodinámica clásica considera la materia como un medio continuo y no considera la constitución detallada (atómica o molecular). En cambio, la termodinámica estadística considera que la materia está constituida por un conjunto de átomos y moléculas cuyo comportamiento analiza y conecta con propiedades de la termodinámica a nivel macroscópico.

Sistema Microscópico

Sistema Microscópico: Comprende el detalle de movimiento de átomos o moléculas que constituyen un sistema, es complejo. Corresponde a la teoría cinética (comportamiento y propiedades macroscópicas de los gases) y a la mecánica estadística (proporciona una interpretación molecular del trabajo, calor, energía libre, entropía de la termodinámica).

Energía Cinética

Energía Cinética: Aquella energía que posee un cuerpo debido a su movimiento. Es el trabajo que requiere un cuerpo de una masa determinada para acelerar desde el reposo hasta una velocidad indicada.

Energía cinética = ((Masa x Aceleración) / 2)

Teoría Cinética de Gases Ideales

Teoría Cinética de Gases Ideales: Establece que el calor y el movimiento están relacionados, que las partículas de toda materia están en movimiento hasta cierto punto y que el calor es una señal de ese movimiento.

• Están constituidos por diminutas partículas de igual masa y tamaño para un mismo gas.
• Las partículas están en incesante movimiento chocando entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene (Originan la presión del gas).
• Choques elásticos (cuando se conserva energía cinética total del sistema de cuerpos durante la interacción)
• Temperatura absoluta es proporcional a la energía cinética promedio de las moléculas del gas
• Para presiones bajas, el diámetro de las moléculas es menor que la distancia recorrida entre ellas. Se desprecia su volumen efectivo y la fuerza de atracción entre ellas.
• Puede emplearse para predecir otras propiedades entre ellas la de transporte como la conductividad térmica, el coeficiente de difusión o la viscosidad.

Estado y Equilibrio Termodinámico

Estado y Equilibrio: Se deben cumplir estos 4 equilibrios para decir que se está en equilibrio Termodinámico:

• Eq. Térmico(T): Es el estado en el que se igualan las T de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes T. Al quedar a = T se suspende el flujo de calor y llega a un eq. t.
• Eq. Mecánico(P): Establece que sobre el sistema no actúen fuerzas sin compensar.(En fc de la P)

Humedad Absoluta del Aire

Humedad Absoluta del Aire: Contenido de agua en la atmosfera, depende de T (m[H20] x m[aire]). A mayor temperatura se almacena más agua en 1kg.

Procesos Termodinámicos Especiales

Procesos Casos Especiales de Ley de los Gases Ideales

• Proceso isobárico: Proceso termodinámico que ocurre a presión constante (Volumen y Temperatura Varia)
• Proceso isocoro: Proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante (Presión y Temperatura varia)
• Proceso isotermo: Proceso termodinámico a temperatura constante en todo el sistema.(Volumen y Presión varia)

Factor de Compresibilidad

Factor de Comprensibilidad: Medida de la desviación del comportamiento del gas ideal—> Z=Pv/RT (Z>1 o Z<1)

La desviación es función de cuán lejos estén las presiones y la temperatura de sus puntos críticos. A menor distancia, mayor desviación.

Calor Específico

Calor Específico: Cantidad de calor que hay que suministrar a una sustancia o sistema termodinámico para elevar la temperatura en una unidad.

Energía Interna y Entalpía

Energía Interna, Entalpía: Se debe a la vibración de las redes moleculares. Si son gases reales depende de la presión y si son Gases Ideales depende de la Temperatura (Porque la Presión es Baja). Entalpía: cant. de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con su entorno.

Entropía

Entropía: Fija su atención en el interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sist y el otro y tiene sus propias leyes. Es avalada por la 2 ley de TMD.

Las reacciones no se detienen solo están estabilizadas. A volumen cerrado la presión aumenta. Presión baja hay menos unidad de gas. Presión baja hay menos unidad de gas.

Preguntas y Respuestas sobre Termodinámica

1. ¿Cuáles son los tres elementos mínimos para formar una estrella cósmica? Gravedad, Hidrógeno y Tiempo
2. ¿Cuál es la definición de “sistema” en TMD? Espacio y Materia, Porción Finita, Medio Ambiente, Frontera.
3. Explique el equilibrio termodinámico, en específico el químico y otro según su criterio. Equilibrio Químico: Ejemplo detergente biodegradable. Utilidad: agilizar procesos. Equilibrio Térmico: igualdad de temperatura.
4. ¿En qué estado se encuentran las moléculas en el 0 Kelvin? Solo señale el estado fásico. Es una sola palabra. Sólido
5. ¿Que considera la Teoría Cinética de los gases para considerarlos GASES IDEALES, respecto cómo deben ser las moléculas y sus choques?, ¿y qué hay de la presión? Moléculas Diminutas, igual tamaño y masa con choques elásticos; Presión baja
6. Justifique su respuesta anterior en términos de presión. Porque a presiones menores la distancia es grande y no se logran expresar las diferencias (Fuerzas de repulsión y/o atracción)
7. ¿Que es la temperatura en TMD respecto del sentido físico? E.cinética
8. ¿Xq NO existen los gases ideales? Xq siempre existen diferencias entre dos tipos de gas, la distancia permite que no se expresen, en sí mismos todos los gases son reales, la idealidad del gas es una condición, porque siempre hay diferencias entre dos tipos de gases.
9. ¿Xq n motor eléctrico es más eficiente que uno a combustión interna? Debido a que el motor eléctrico en operación se calienta menos que el de combustión interna.

Equilibrios Adicionales

• Eq. De Fase (el potencial químico de un componente dado sea igual para todas las fases del sistema.)
• Eq. Químico (Cuando a+b= c+d(reversible) a la misma velocidad): Establece que no ocurran reacciones químicas ni fenómenos de difusión.

Número de Avogadro

Número de Amedeo Avogadro: Igual volumen de gas a igual Presión y Temperatura contienen igual número de moléculas.

Na= numero de Avogadro = 6.02 x10^23[moléculas/mol]

Gases Ideales

Gases Ideales: Un gas hipotético compuesto de moléculas siguen las sgtes reglas:

1. Las moléculas no se atraen o repelen entre ellas (Las únicas interacciones son las colisiones elásticas entre ellas y con las paredes del contendor).
2. Las moléculas en sí mismas no ocupan volumen alguno.

Leyes de los Gases

• Ley de Boyle-Mariotte: Si para un gas la temperatura es constante su volumen es inversamente proporcional a la presión. (PV=cte)
• Ley de Charles y Gay-Lussac: Si para un gas la presión es constante, su volumen es directamente proporcional a la temperatura absoluta. Si para un gas V=cte, La presión es directamente proporcional a la temperatura absoluta.(V/T=cte y P/T=cte)

Cero Absoluto

Cero Absoluto: Los gases se licuan a bajas temperaturas (-273,15 °C)

Ley Cero de la Termodinámica

Ley Cero TMD: Dos cuerpos están en equilibrio térmico si se indica la misma lectura de temperatura, incluso si no están en contacto.

Ley de Presiones Parciales (Dalton)

Ley de Presiones Parciales (Dalton):

• Con T=cte, la presión ejercida por una mezcla de gases va a ser a la presión parcial de cada gas.
• “Presión Parcial “, es la presión que ejerce este gas si solamente él ocupa todo el volumen de la mezcla

Ley de Amagat

Ley de Amagat: El volumen de una mezcla gaseosa es igual a la suma de volúmenes de cada gas, medidos a igual presión y temperatura en dicha mezcla.

Ecuación de Van der Waals

Ecuación de Van der Waals: Ecuación para gases reales modificando la ecuación para gases ideales: (P + n² a / V²) (v-n b) = nRT (a y b: ctes de cada gas.)

Un gas ideal nunca podrá convertirse en líquido o sólido, aunque se enfriara o comprime a extremos.

Transición de Fases

Transición de Fases: A baja T (movimiento molecular my bajo) y P altas (condiciones criticas) todo el sistema entra en un estado ligado de alta densidad y adquiere una superficie limite.

Punto Crítico

Punto Crítico: Punto de P o T que corresponde a un cambio de estado físico de la sustancia.

Existe el Volumen crítico, es el que ocuparía un mol de gas a su T y P críticas. La reorganización molecular generalmente va acompañado de absorción o cesión de calor. El cambio de fase demanda más energía calórica.

Presión de Vapor

Presión de Vapor: Está en función de la T solamente, no del V. En un recipiente que contiene líquido y vapor a T cte, P no depende de las cant. relativas de vapor y líquido. Presión de vapor mayor que presión Parcial, se evapora y Presión de vapor menor que presión Parcial no se evapora.

9.¿Xq n motor eléctrico es más eficiente que uno a combustión interna?Debido a que el motor eléctrico en operación se calienta menos que el de combustión interna.

8. ¿Por qué NO existen los gases ideales? Porque siempre existen diferencias entre dos tipos de gas, la distancia permite que no se expresen, en sí mismos todos los gases son reales, la idealidad del gas es una condición, porque siempre hay diferencias entre dos tipos de gases.

9. ¿Por qué un motor eléctrico es más eficiente que uno a combustión interna? Debido a que el motor eléctrico en operación se calienta menos que el de combustión interna.

10.¿Puede un globo (lo suficientemente aislado como para no bajar su temperatura interna) que cayó en el suelo, elevarse nuevamente? Explique en caso negativo o afirmativo. Si podría volver a elevarse en el momento que su temperatura supere la del entorno.

11. ¿Podremos algún día romper el equilibrio termodinámico? No, debido a que ya el universo se encuentra en desequilibrio.

12.¿Qué significa que sea un estado compresible simple? Gas que carece de efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, de movimiento y de tensión superficial

13. ¿Qué se necesita para formar un a estrella? H, g, masa critica

14. ¿Por qué Newton no e suna unidad de trabajo? porque es unidad de:… Fuerza

15. Señale un ej de utilidad de la ley cero TMD. Solo cite. Medir T del cuerpo.

16.¿Por qué se llama Ley CERO? Delta T es cero cuando eq. termico.

17. Qué es la presion manométrica? de un ej en la industria. Puede señalara en cómo se mide. Es la diferencia entre la P abs y la P atm local. Pabs- Patm, medicion de presion de un neumatico.

18.¿Qué es la presion de vacio? de un ej en la industria. Las presiones por debajo de la presion atm. Pva=Pat- Pabs. Medir P del interior de un sist neumatico, reactor al vacio.

19. ¿Que representa «a/v²» y «b» en la ec de Van der Waals? Lo primero explica las fuerzas intermoleculares y b espacio de exclusion del V de las moleculas.

20. ¿Qué es y qué utilidad tiene la P de vapor? Presion a la que liq y sol pasan a fase de gas. depende solo de T.

21.¿Por qué es mas barato hervir agua cuando el tiempo esta malo, esto es, con baja de P? Cuando la P ext baja, es posible que la Pvap logre evaporar mas facilmente dado que la sust puede evaporar cuando Pvap>=Pext. Y como es funcion de T, entonces es a T inferior, eso es, con menor energia.

22.¿Como se determino el 0 kelvin?Extrapolacion, distintos gases, ejes V v/s T.

23.Explique el proceso endotermico y exotermico. endo: consume energia. exo: la produce.

24.¿Que señala la ley de gases de dalton? Ptot=suma de las P parc. de los gases de la mezcla.

25. ¿Que utilidad en la ingeniería tiene la Ley de Dalton? Calcular l composición de los gases en una mezcla y/o determinar la presión parcial de uno de ellos, conociendo la Total y ka de los otros.

26.¿xq el producto de la Presión Total por la fracción molar del tipo de gas arroja la Presión Parcial para ese tipo de gas?Por que la presión de un tipo de gas es directamente proporc. A su fracción molar.

27.Explique qué es la Presión crítica de un gas.Es aquella para licuar un gas a T crit.

28.¿Es posible tener agua líquida a 150°C?Si

29.¿Cómo puede usted conseguir lo que se pretende en la consulta anterior?Subiendo la P

30.¿Para qué sirve el factor de compresibilidad?Para usarla en gases reales, es una ecuación de gases para calcular P, T, V.

31.¿Por qué cree usted que los ingenieros no deben usar PV=nRT en sus cálculos?error 30%

32.¿Por qué el hierro-que es más pesado y denso- tiene menos capacidad calórica que el agua?xq el agua es una molécula que al girar absorbe mayor energía. Y los átomos no giran caso del Fe).

33.La energía interna y la entalpía se deben a la vibración de las redes moleculares. En gases reales depende de la presión y en gases ideales de la temperatura. ¿Por qué?Reales (P): moléculas están a corta distancia. Ideales están a larga distancia y solo se expresan en las colisiones.

34.¿Existen ecs pra evaluar C_p a cualquier temperatura? Si ó No.Si.

35.¿Que es Presión en TMD?Choque moéculas con membrana que lo contiene.

36.¿En que unidades se expresa la Presión en TMD?atm, bar Pa…

37.¿Que volumen ocupa 1 mol de aire a 0 [ºC] y 1 [atm] de presión?.22,4 litros

38.Cite un ej de fenómeno metereológico que pueda explicarse según la Ley de Gases Ideales.tifón, tornado, vientos…

39.¿Que orden de error [%] tiene la ecuación de gases reales de Van der Waals?5%

40.¿Cuándo un sólido puede evaporarse? Responda en función de las variables señaladas en clase: Presión de Vapor, Presión Total ó externa y Temperatura.Cuando la presión de vapor es igual o superior a la P ext a una det. Temperatura.

41.¿A que valor de la Presión de Vapor –medida en atmósferas- evapora el agua en nuestro casino de la Universidad?1 atm

42.¿En que unidades se mide la Humedad Absoluta del aire?g agua/kg aire seco

43.¿Que origina la Energía Interna y la Entalpía en los gases?acumulación de energía.

44.¿Por qué la Energía Interna en los gases y la Entalpía se explican acorde a la Presión para gases reales?Por las vibración de redes moleculares.45.¿Por qué la Energía Interna en los gases y la Entalpía se explican acorde a la Temperatura para gases ideales?Por que los átomos están distanciados.

46.¿Por qué Cp es mayor que Cv?Por que a Presión constante las moléculas tienen la posibilidad de invertir energía en desplazamientos que a Vol. Constate está restringido.

1) ¿Qué es el centro de masa?Punto donde se concentra la mayor cantidad de masa de un sistema.

4) ¿Qué es una situación isotérmica?Es un proceso en el cual un gas se expande (o contrae), manteniendo la temperatura constante durante dicho proceso.

6) ¿Qué pasa si 2 moléculas de agua con misma magnitud, temperatura y dirección, pero de sentido opuesto, colisionan?Conservación del momento lineal, las partículas siguen su camino, pero de sentido contrario, ya que obedecen el principio de choques elásticos.

7) ¿Por qué no se puede llegar a cero Kelvin?Los cuerpos necesitan otro cuerpo de menor temperatura para disminuir su cinética en su interior y no existe ningún cuerpo que tenga menor temperatura que el 0 kelvin.

8) ¿Con qué propiedad compruebo que un sistema cerrado a distinta temperatura cumple la ley cero?Presión

9) 1 atm, ¿es alta o baja presión?alta

10) ¿Cómo se puede hacer para que una molécula se detenga?Tiene que haber otra partícula que venga vibrando menos que la que está en movimiento y colisionar con ella. (Energía cinética).

11) ¿La economía es termodinámica? No, debido a que la economía es una ciencia social incierta llena de cambios que atentan contra el equilibrio que busca la termodinámica, es decir para que la economía sea termodinámica tiene que basarse en la energía del sistema (Dinero)y vencer el paradigma de energía potencial infinita.

12)¿De dónde viene el hidrógeno?Del big bang

13)¿Por qué al mojar el dedo índice con saliva y buscar la dirección en la que se mueve el viento, se siente helado?Por el latente de vaporización.

14)¿Cuándo aumenta la presión en un sistema?Cuando disminuye el volumen.

15) Si usted se encuentra en Pelluco, ¿Con qué señal del entorno podría saber que la presión es distinta que en el centro de Puerto Montt?Con la dirección del viento, si el viento viaja de Pelluco a Puerto Montt la presión es más alta en Pelluco.

16) Si hay un exceso de presión en un reactor, ¿Qué habría que hacer para regularla?Liberar el gas que tenga mayor masa.

17) ¿Qué pasa con el agua entre 0°C y 4°C?Se encuentra en estado alotrópico.

18) Cuando 2 partículas elásticas colisionan con masa m1 y m2 respectivamente, ¿Qué tipo de energía es la que se genera?.Trabajo.