1º BTO

Entorno o medio SISTEMA TERMODINÁMICO Ciencia que estudia las transferencias energéticas y sus efectos sobre la materia Entorno o medio SISTEMA TERMODINÁMICO MATERIA  FORMADA POR PARTÍCULAS EN CONTÍNUO MOVIMIENTO Se relacionan entre sí mediante las ecuaciones de estado Ej.: PV = nRT TEORÍA CINÉTICO – MOLECULAR DE LA MATERIA Se describen mediante Se pueden explicar a través de VARIABLES TERMODINÁMICAS (macroscópicas) Son el resultado de los promedios de los estados y movimientos de las partículas microscópicas que forman la materia Volumen, presión, temperatura, densidad, cantidad de sustancia…

Magnitud macroscópica ENERGIA INTERNA Es una MAGNITUD EXTENSIVA (depende del conjunto de las partículas) Gas ideal Aquel en el que sus partículas se consideran puntuales y que no interaccionan entre sí. Toda la energía interna del gas es ENERGÍA CINÉTICA SUMA DE LAS ENERGÍAS DE LAS PARTÍCULAS QUE LO FORMAN E. CINÉTICA asociada a su movimiento interno E. POTENCIAL debida a las interacciones entre partículas Explicación desde la TCM (punto de vista microscópico)

PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA 2. EQUILIBRIO TÉRMICO Y TEMPERATURA PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA Si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico con un tercer sistema C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí. Hay una magnitud escalar, llamada TEMPERATURA, tal que la igualdad de las temperaturas de sistemas termodinámicos SISTEMAS EN EQUILIBRIO

Ej.: 13, 18 y 19 2. EQUILIBRIO TÉRMICO Y TEMPERATURA MEDIDA DE LA TEMPERATURA Se elige un cuerpo llamado TERMÓMETRO, con una determinada propiedad termométrica Se fijan arbitrariamente los valores de la temperatura de dos estados reproducibles de alguna sustancia  PUNTOS FIJOS Ej.: 13, 18 y 19 ESCALA CELSIUS Propiedad termométrica: longitud de una columna de mercurio Puntos fijos: Fusión del hielo a 1 atm (0ºC) y ebullición del agua a 1 atm (100ºC) Termómetro de referencia o patrón: TERMÓMETRO DE GAS A VOLUMEN CONSTANTE. (Escala absoluta) Las dos escalas se relacionan T(K) = T(ºC) + 273,15

Ej.: 20 y 24 2. EQUILIBRIO TÉRMICO Y TEMPERATURA RELACIÓN ENTRE LA TEMPERATURA Y LA ENERGÍA INTERNA En un gas ideal  la Ec de sus partículas α T absoluta del gas ENERGÍA INTERNA α TEMPERATURA Ej.: 20 y 24 Energía cinética En un gas real, un líquido o un sólido  la ENERGÍA INTERNA ENERGÍA INTERNA no solo depende de la TEMPERATURA Pero en todos los sistemas la temperatura es un indicador de la energía de las partículas Energía potencial Interacciones entre las partículas

Energía transferida mediante CALOR CALOR: Forma de transferencia de energía entre cuerpos debido a su diferencia de temperaturas. (Del de mayor al de menor T hasta que se alcanza el EQUILIBRIO TÉRMICO) UNIDADES: Julio (J) (Sistema Internacional) Caloría (cal) (1J = 0,24 cal) CRITERIO DE SIGNOS Calor cedido < 0 Calor ganado > 0

Energía transferida mediante CALOR PROPAGACIÓN DE LA ENERGÍA TÉRMICA CONDUCCIÓN En sólidos Mediante choques que transfieren Ec sin variar posiciones relativas de las partículas CONVECCIÓN En líquidos y gases Calentamiento  disminución de la densidad  ascensión del fluido Corrientes de convección  igualan la T del fluido RADIACIÓN No se necesita medio material Mediante ondas electromagnéticas (Sol, lámparas…)

Energía transferida mediante CALOR EFECTOS DEL CALOR VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA Para que un cuerpo de masa m experimente una variación de temperatura ∆T, debe intercambiar una cantidad de energía Q Q = mc∆T CALOR ESPECÍFICO: energía necesaria para aumentar en un grado la temperatura de la unidad de masa de una sustancia (J/kg∙K ó J/kg∙ºC) Varía según el rango de temperaturas en el que se produce el intercambio de calor Varía según se produzca a presión o a volumen constantes (Esto en gases).

Energía transferida mediante CALOR Ej.: 21, 22, 25-28, 30, 32-35 EFECTOS DEL CALOR DILATACIÓN TÉRMICA Aumento de las dimensiones de los cuerpos al incrementar su temperatura SÓLIDOS Dilatación lineal l = lo (1 + λ ∙ ∆T) Dilatación superficial S = So (1 + β ∙ ∆T) β = 2 λ Dilatación cúbica V = Vo (1 + γ ∙ ∆T) γ= 3 λ LÍQUIDOS Solo tienen dilatación cúbica. Coeficiente de dilatación  K (100 veces mayor que en los sólidos) GASES El coeficiente de dilatación depende del tipo de proceso (por ser muy compresibles. En un proceso a presión constante V = Vo (1 + γ ∙ ∆T) ; γ= 1/273 ºC-1

Energía transferida mediante CALOR EFECTOS DEL CALOR CAMBIOS DE ESTADO DE AGREGACIÓN De un estado a otro más compacto  por cesión de E térmica De un estado a otro con las partículas menos ligadas  por absorción de E térmica Durante el cambio de estado, la temperatura permanece constante y depende de la presión a la que se encuentre la sustancia. El calor intercambiado depende de la masa de la sustancia y del calor intercambiado por unidad de masa (Calor latente o ENTALPÍA de fusión, de condensación, de vaporización…) Q = m L El calor de un cambio de estado es igual al del cambio de estado inverso (con signos opuestos)

Energía transferida mediante TRABAJO TRABAJO: forma de transferir energía de un sistema a otro mediante la acción de fuerzas aplicadas. Su valor numérico se calcula a partir del producto de la fuerza por el desplazamiento del cuerpo en la dirección de la fuerza. TRABAJO DE EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN DE UN GAS. Tenemos un GAS en un RECIPIENTE con ÉMBOLO aislado por paredes ADIABÁTICAS. Si variamos las condiciones del gas, evolucionará hacia una nueva situación de equilibrio. P , y se expande. Parte de la U se convierte en W para elevar el émbolo  T P y se comprime. El W realizado sobre el gas, le da energía  U  T Cambian las tres variables.

Energía transferida mediante TRABAJO Ej.: 38,40, 41, 45, 46 TRABAJO DE EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN DE UN GAS. Tenemos un GAS en un RECIPIENTE con ÉMBOLO y paredes DIATÉRMANAS. Mantenemos su PRESIÓN CONSTANTE. Para variar el VOLUMEN del gas, tendremos que variar la TEMPERATURA. W = F ∙ ∆y = p ∙ S ∙ ∆y = p ∙ ∆V Compresión  W sobre el sistema  W > 0 Expansión  el sistema realiza un W  W < 0

Energía transferida mediante TRABAJO DIAGRAMA PRESIÓN - VOLUMEN Si la presión no es constante  NO se puede calcular el W = p ∙ ∆V Si la evolución de la presión es lenta, se pueden representar los estados de equilibrio por los que pasa el sistema. El W es el área bajo la curva que representa un proceso termodinámico en un diagrama presión – volumen. Por convenio: Compresión  W sobre el sistema  W > 0 Sistema recibe energía Expansión  el sistema realiza un W  W < 0 Sistema transfiere energía Ej. 48, 52 y resuelto B

Conservación de la Energía La Energía del conjunto formado por el sistema y su medio siempre se conserva. La Energía de todo sistema termodinámico es la suma de su Energía Interna y la Energía Mecánica macroscópica Esistema = U + Em Em = Ec macroscópica + Ep debida a la posición del centro de masas La E ganada por el sistema en un proceso = E perdida por el medio

La Ep del cuerpo se transfiere al agua y su temperatura aumenta. Conservación de la Energía Ep EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR Calor: Energía transferida en un proceso como consecuencia de la diferencia de temperatura. JOULE midió el aumento de temperatura en una masa de agua aislada térmicamente al agitarla con unas paletas. La Ep del cuerpo se transfiere al agua y su temperatura aumenta. Equivalente Mecánico del Calor: Cantidad de Energía Mecánica para elevar 1 ºC la temperatura de 1 g de agua. 1 cal = 4,18 J Ej. 51 Ej. 51

Conservación de la Energía Ep PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA En sistemas en los que la Energía Macroscópica no varía, el principio de conservación de la energía se puede expresar: “La variación de Energía Interna, ΔU, de un sistema siempre es igual a la suma de la energía que intercambia con su entorno mediante calor y trabajo.” ΔU = Q + W Los valores de Q y W obtenidos dependen del proceso seguido desde el estado inicial al final pero la variación de U es independiente del proceso seguido (solo depende de los estados inicial y final).  La U es una FUNCIÓN DE ESTADO Ej. C resuelto, 48, 52, 55, 58

Conservación de la Energía Ep APLICACIONES DEL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Aplicación a un GAS IDEAL (Sistema p-V  el W viene dado por compresión y Expansión) CÁLCULO DE ΔU: U solo depende de la T y, por ser FUNCIÓN DE ESTADO, de la ΔT Se puede calcular ΔU si une dos estados a la misma T que el proceso dado. Proceso isocórico : Trabajo nulo y el Q se calcula  Q = mCv ΔT

Conservación de la Energía Ep APLICACIONES DEL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Aplicación a un GAS IDEAL (Sistema p-V  el W viene dado por compresión y Expansión) CÁLCULO DE Q: Directamente en procesos ADIABÁTICOS (Q=0) ISOCÓRICOS ( Q=mcvΔT) ISOBÁRICOS ( Q=mcp ΔT) Resto de procesos  PRIMER PRINCIPIO CÁLCULO DE W: ISOCÓRICOS ( W=0) ISOBÁRICOS ( W=pΔV) VER TABLA PÁGINA 123 Y EJEMPLO.