FÍSICA I GRADO Ingeniería Mecánica Escuela Politécnica Superior Universidad de Sevilla FÍSICA I GRADO Ingeniería Mecánica Tema 7. Termodinámica: Primer principio Prof. Norge Cruz Hernández

Tema 7. Termodinámica: Primer principio (3h) 7.1 Introducción 7.1 Conceptos básicos. Sistemas, estados y transformaciones termodinámicas. 7.2 Equilibrio térmico y temperatura. Principio cero. 7.3 Termometría: propiedades termométricas. Escalas de temperatura. 7.4 Concepto de calor. Capacidades caloríficas y calores latentes. 7.5 Gas ideal 7.6 Trabajo termodinámico. Trabajo en procesos cuasiestáticos. 7.7 Primer principio de la termodinámica. Energía interna.

Bibliografía Clases de teoría: - Física Universitaria, Sears, Zemansky, Young, Freedman ISBN: 970-26-0511-3, Ed. 9 y 11. Clases de problemas: -Problemas de Física General, I. E. Irodov Problemas de Física General, V. Volkenshtein Problemas de Física, S. Kósel Problemas seleccionados de la Física Elemental, B. B. Bújovtsev, V. D. Krívchenkov, G. Ya. Miákishev, I. M. Saráeva. Libros de consulta: Problemas de Física, Burbano, Burbano, Gracia. Resolución de problemas de física, V.M. Kirílov.

Al interactuar entre los dos, el termómetro se calienta y el café se enfría un poco hasta alcanzar el equilibrio térmico. Calor: Se le llama a la energía transferida que se da por una diferencia de temperatura. 1 cal (caloría): unidad de cantidad de calor con base en el cambio de temperatura de un material específico. Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14,5oC a 15,5oC.

capacidad calorífica molar La cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de una determinada sustancia de masa m desde la temperatura T1 hasta T2, se calcula mediante la siguiente expresión: c: calor específico o capacidad calorífica del material. Si el cambio de temperatura es muy pequeño, dt, entonces el calor que necesitamos el dQ. La capacidad calorífica del agua varía muy poco con la temperatura. capacidad calorífica molar

Fase: Es el término que define el estado de la materia: sólido, líquido o gas. Cambio de fase: Se le llama al proceso de transición de una fase a otra de la materia. Si tenemos un baso con hielo y le transferimos calor por algún método, la temperatura del hielo no varía hasta que todo el hielo se ha convertido en agua. Solamente después aumentará la temperatura del agua. Es decir, durante el cambio de fase el calor suministrado se emplea en el cambio de fase.

Calor de fusión (calor latente de fusión): Es el calor necesario para fundir 1 kg de sólido en el correspondiente líquido a la temperatura de fusión del material. De forma general, para fundir una masa m de material con calor de fusión Lf se requiere una cantidad de calor Q dada por: De igual forma, para solidificar un material de su forma líquida a su forma sólida será necesario extraer una cantidad de calor dada por: fusión Equilibrio de fases: estado donde coexisten más de una fase. solidificación

Calor de vaporización (calor latente de vaporización): Es el calor necesario para transformar 1 kg de líquido en el correspondiente vapor a la temperatura de ebullición del material. vaporización vapor de agua condensación Tomamos una muestra de hielo y le agregamos calor continuamente en el tiempo.

Diagrama de fases pT representativo con regiones de temperatura y presión en las que existen distintas fases y en las que se dan cambios de fases.

Ecuaciones de Estado Variables de estado: Se le llama a una serie de magnitudes macroscópicas que determinan al sistema, por ejemplo: P, V, T, la densidad, la energía del sistema, …. Ecuación de estado: Se le llama a la relación que existe entre las variables que definen un estado.

Modelo cinético molecular del gas ideal Supuestos de nuestro modelo: - Un recipiente con volumen V contiene un número muy grande de N moléculas idénticas, cada una con masa m. - Las moléculas se comportan como partículas puntuales; su tamaño es pequeño en comparación con la distancia media entre partículas y las dimensiones del recipiente. - Las moléculas están en constante movimiento, y obedecen las leyes del movimiento de Newton. Las moléculas chocan ocasionalmente con las paredes del recipiente. Tales choques son perfectamente elásticos. - Las paredes del recipiente son perfectamente rígidas y con masa infinita; no se mueven.

k: constante de Boltzmann i: grados de libertad molecular gas monoatómico

ecuación de estado del gas ideal

Superficie pVT para el gas ideal.

Gas ideal Gas no ideal

Algunas correcciones al modelo del gas ideal Un recipiente con volumen V contiene un número muy grande de N moléculas idénticas, cada una con masa m. Las moléculas se comportan como partículas puntuales; su tamaño es pequeño en comparación con la distancia media entre partículas y las dimensiones del recipiente. En realidad, las moléculas tienen un volumen distinto de cero. Entonces no ocuparían todo el volumen, sino un volumen: volumen que ocupa 1 mol de este gas volumen de todo el recipiente del gas número de moles

Algunas correcciones al modelo del gas ideal Las moléculas están en constante movimiento, y obedecen las leyes del movimiento de Newton. Las moléculas chocan ocasionalmente con las paredes del recipiente. Tales choques son perfectamente elásticos. En realidad, las moléculas interactúan entre ellas y chocan entre ellas. El valor de presión debe estar corregido: depende de las fuerzas de atracción intermoleculares número de moles La reducción de la presión es proporcional al número de moléculas por unidad de volumen presión del gas en las paredes del recipiente

La ecuación de Van der Waals Gas ideal ecuación de Van der Waals

Tenemos una cierta cantidad de gas fija y somos capaces de mantenerla a una temperatura constante: Ley de Boyle-Mariotte

Tenemos una cierta cantidad de gas fija y somos capaces de mantenerla a una presión constante: Ley de Gay-Lussac

Trabajo realizado al cambiar de volumen. Intentaremos calcular el trabajo efectuado por un sistema durante un cambio de volumen.

Trabajo efectuado por el cambio de volumen.

¿Ocurrirá lo mismo al condensarse el vapor anteriormente calentado? … quemando madera o carbón, se caliente el agua hasta llegar a vapor y esto hace mover los pistones de la locomotora. ¿Ocurrirá lo mismo al condensarse el vapor anteriormente calentado?

Cuando hacemos palomitas de maíz, el calor que suministramos a nuestro recipiente provoca que la tapa se salga del sitio adecuado.

Energía interna y la primera ley de la termodinámica. Energía Interna: La suma de las energías cinéticas de todas sus partículas constituyentes, más la suma de todas las energías potenciales de interacción entre ellas. Durante el cambio de un sistema desde el estado 1 hasta el estado 2, la variación de la energía interna se calcula como: Primera ley de la termodinámica: Si entregamos a un sistema una cantidad de calor Q, esta se empleará en aumentar la energía interna del sistema y en que el sistema realice un trabajo W contra su entorno.

El calor generado en la quema de carbón o de madera se emplea una parte en elevar la temperatura del agua y otra parte en hacer trabajo para mover la locomotora.

… es independiente de la trayectoria. Energía Interna: La suma de las energías cinéticas de todas sus partículas constituyentes, más la suma de todas las energías potenciales de interacción entre ellas. Calcular la energía interna con esta definición es muy complicado y poco práctico dado que hay sistemas donde la formas de interacción a veces no las conocemos bien. …. solamente podemos medir diferencias, aunque podemos definir un valor de referencia de energía interna. Dependen de la trayectoria entre dos estados. … es independiente de la trayectoria.

… es independiente de la trayectoria. La Energía Interna es función de estado. La energía interna de una taza de café depende únicamente de su estado termodinámico: cuánta agua y café molido, y la temperatura a la que se encuentra. La energía interna de una taza de café NO depende del camino que hemos empleado para hacer el café.

Proceso cíclico: Es una sucesión de procesos que al final deja la sustancia en el estado en que inició el proceso.

Trabajo en ciclos de estados cuasiestáticos.

Convenios de signos en trabajo y cantidad de calor.