Física Termodinámica Parte 2 CATOLICA DE VALPARAISO

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1 Física Termodinámica Parte 2 CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO Física Termodinámica Parte 2

2 4.1 Sólidos, líquidos y gases
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 4. Gases 4.1 Sólidos, líquidos y gases GAS Fuerzas entre moléculas: Atracción de largo alcance Atracción de corto alcance Las fuerzas intermoleculares son insignificante. Las moléculas se mueven con rapidez, al azar y llenando los espacios que disponen para hacerlo. Aplicación de presión LIQUIDO Fuerzas atractivas intermoleculares son lo suficientemente fuertes para obligar a las moléculas vagas Es fuerte cuando las moléculas se aproximan unas de otras Aplicación de presión SOLIDO Fuerza muy fuerte pero actúa en distancias muy cortas Fuerzas atractivas intermoleculares son lo suficientemente fuertes para mantener la unión entre moléculas.

3 4.1 Sólidos, líquidos y gases
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 4. Gases 4.1 Sólidos, líquidos y gases Las propiedades térmicas de un gas ideal son mas convenientes de estudiar. Las propiedades de un gas ideal son: Las moléculas de un gas ocupan un volumen muy pequeño, comparado con el volumen del contenedor. las moléculas están muy distantes unos de otros en relación con su tamaño y sólo interactúan durante las colisiones. Las colisiones entre moléculas son elásticas. Animación: Los gases reales a menudo se comportan como un gas ideal, en condiciones donde no ocurre cambios de fase.

4 4. Gases 4.2 Presión CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 4. Gases 4.2 Presión Una de las propiedades macroscópicas mas importantes de un gas es la Presión. Newton Los impactos de las moléculas en la muralla del contenedor, ejercen una fuerza sobre la muralla. Hay muchos de esos impactos por segundo. La fuerza total por unidad de área se llama presión. la presión es el efecto promedio de muchos impactos resultantes de las colisiones de las moléculas contra la pared. Metros al cuadrado Es importante darse cuenta de que los manómetros miden la presión por encima o por debajo presión atmosférica. Por lo tanto, en fórmulas termodinámicas, la presión absoluta debe ser siempre utilizada.

5 4. Gases 4.2 Presión CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 4. Gases 4.2 Presión En una mezcla de gases, la presión total es la suma de las presiones de los componentes de los gases. Estas presiones se llaman presiones parciales. 1 atmosfera = 760 torr =1013 milibars =760 mm Hg Presiones por encima de cero la presión se llaman presión absoluta Los manómetros miden por lo general la presión por encima o bajo la presión atmosférica Aire seco % Vol Presión parcial (mbar) N2 78.08 791.1 O2 20.95 212.2 Ar 0.93 9.4 CO2 0.03 0.3 Total: 1013 mbar

6 4. Gases 4.3 Ley de los gases CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 4. Gases 4.3 Ley de los gases Propiedades macroscópicas de un gas Presión Temperatura Volumen Masa Considere la masa (m) de un gas: Si p, V y T varían entonces: Estas cantidades especifican el estado de un gas Ley de gas combinado: puede ser obtenida desde la teoría cinética o por experimentación

7 4. Gases 4.3 Ley de los gases CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 4. Gases 4.3 Ley de los gases Si T es constante entonces: Nota: estas leyes no pueden ser aplicadas cuando la masa de un gas cambia durante el proceso. La presión y la temperatura son absolutas. Ley de Boyle Si p es constante entonces: Ley de Charles Masa en kg Usando los moles, obtenemos la ecuación de un gas ideal con una constante universal para los gases R (J/molK), por otro lado la constate depende de la naturaleza del gas Vamos a expresar la masa de un gas indirectamente, especificando el número de moles Masa molar Nº de moles 6.02 E23 moléculas

8 4. Gases 4.3 Ley de los gases CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 4. Gases 4.3 Ley de los gases Los experimentos muestran que la ley de Boyle y Charles conducen a: Volumen Temperatura absoluta Nº de moles Constante universal J/molK Presión absoluta Esta ecuación une todas las cantidades macroscópicas necesarias para describir el estado de un gas ideal, y por lo tanto es llamada ecuación de estado. Existen otras ecuaciones de estado, las cuales se utilizan para describir el estado de un gas real.

9 4. Gases 4.4 fases de la Materia CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 4. Gases 4.4 fases de la Materia En un diagrama P-V, la temperatura se mantiene constante, el volumen decrece y la presión se registra. Temperatura critica Tc Hay para cada gas una temperatura por encima de la cual las fuerzas atractivas entre las moléculas no son lo suficientemente fuertes como para producir la licuefacción , sin importar cuanta presión se aplique. Tc a 218 atm Tc a 2.3 atm Gas ideal (no hay cambio de fase) Presión de Vapor la presión parcial ejercida por el vapor cuando está en equilibrio con su líquido. Depende de la temperatura y la naturaleza de la sustancia. La temperatura a la que la presión de vapor es igual a la presión atmosférica prevaleciente se llama el punto de ebullición T1 (3) T3=Tc (2) T2 El gas comienza a condensarse en liquido, no hay cambio en la presión mientras el volumen disminuye Todo el gas se condensa en liquido. Los intentos de reducir aún más el volumen produce gran aumento de la presión mientras el liquido se comprime.

10 4. Gases 4.4 fases de la Materia CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 4. Gases 4.4 fases de la Materia En un diagrama de fase, mantenemos el volumen constante V en un grafico Presión vs Temperatura. En cada punto (P, T) solo puede existir una fase singular, con excepción donde las tres fases están en equilibrio. En el punto triple, el solido, liquido y vapor coexisten en equilibrio

11 4. Gases 4.5 Ejemplos CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 4. Gases 4.5 Ejemplos Un motociclista mide la presión de sus llantas después de conducir a alta velocidad y calcula 300kPa. Nota que la temperatura de su llanta esta a 50ºC. ¿Cual seria la presión cuando la llanta esta a temperatura ambiente (asuma que el volumen de la llanta se mantiene constante)? Solución

12 4. Gases 4.5 Ejemplos CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 4. Gases 4.5 Ejemplos 2. Calcule la masa de aire en un cuarto que posee u volumen de 200 metros cúbicos a 20ºC y kPa. La masa molecular del aire es g/mol Solución

13 4. Gases 4.5 Ejemplos CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 4. Gases 4.5 Ejemplos 3. Un compresor de aire tiene un tanque de volumen 0.2 metros cúbicos. Cuando es llenado a presión atmosférica, el manómetro adjunto al tanque marca 500kPa después el tanque regresa a temperatura ambiente, 20ºC. Calcule la masa de aire en el tanque. Solución

14 5. Trabajo y Termodinámica
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 5. Trabajo y Termodinámica 5.1 Gas Los experimentos muestran que cuando un gas es calentado a volumen constante, el calor especifico cv es siempre menor que si el gas fuese calentado a presión constante cp Para un determinado aumento de temperatura ΔT, siempre abra un cambio de volumen ΔV con la presión constante lo que significa que la energía en el sistema tiene que elevar tanto la temperatura y hacer el trabajo, por lo tanto, cp es siempre mas grande que cv Calentamiento a presión constante Para un proceso a presión constante, el cambio de volumen involucra una fuerza actuando a través de una distancia, y por lo tanto se realiza un trabajo sobre o por el sistema. El volumen también cambia en sólidos y líquidos pero en escala pequeña. Por lo tanto la distinción entre cp y cv no es significativa Calentamiento a volumen constante W Qv Qp El calor añadido, la temperatura final de ambos sistemas es igual a T2

15 5. Trabajo y Termodinámica
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 5. Trabajo y Termodinámica 5.1 Gas W dV Es una variable muy importante en procesos industriales, se lama entalpia

16 5.1 Primera Ley de la Termodinámica
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 5. Trabajo y Termodinámica 5.1 Primera Ley de la Termodinámica Para un proceso a presión constante Energía interna es la energía cinética de las moléculas que forman el gas calor dentro o fuera de gas Trabajo hecho por o sobre el gas Cambio en la energía interna

17 5.2 Primera Ley de la Termodinámica
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 5. Trabajo y Termodinámica 5.2 Primera Ley de la Termodinámica Para todo proceso: Primera Ley de la Termodinámica Calor fuera o dentro del sistema Trabajo hecho sobre o por el gas Cambios en la energía interna deben ser calculados de: Cuando V2 > V1, luego W es negativo cuando el trabajo es hecho por el gas. Cuando V2 < V1, W es positivo, el trabajo es hecho sobre el gas Calor transferido en un proceso de calentamiento a volumen constante (incluso si no es un proceso a volumen constante)

18 5.2 Primera Ley de la Termodinámica
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 5. Trabajo y Termodinámica 5.2 Primera Ley de la Termodinámica Considere un proceso a presión constante P1=P2 y la primera ley Cambio de la energía interna en todo proceso Flujo de calor dentro o fuera del sistema a presión constante Trabajo hecho o sobre el gas en un proceso a presión constante Ecuación de estado de un gas ideal Sustitución en la ecuación de primera ley La constante universal de los gases R es la diferencia entre los calores específicos molares

19 5. Trabajo y Termodinámica
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 5. Trabajo y Termodinámica 5.3 Diagrama P-V Para un sistema en equilibrio, las propiedades son las mismas en todo el sistema. Para un gas, solo dos propiedades independientes son requeridas (P y V). La ecuación de estado da la conexión con estas variables y las otras (T y n) Si el cambio de estado desde P1 a P2 ocurre como una serie de pasos pequeños, donde cada uno representa una condición de equilibrio, una línea une los puntos que representan un equilibrio o un procesos cuasi- estático. Si el sistema sufre un proceso el gas puede cambiar desde el estado inicial al estado final. En un proceso cuasi- estático la condición de desbalance que conlleva el cambio de estado es muy pequeño, por lo tanto no hay efectos dinámicos que influyan el proceso. P P1 Estado inicial P2 Estado final V 19

20 5. Trabajo y Termodinámica
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 5. Trabajo y Termodinámica 5.3 Diagrama P-V En un diagrama P-V el área bajo la curva entre P1 y P2 representa: Trabajo hecho por el gas Si el gas se expande de V2 – V1 < 0 el trabajo es hecho por el gas Si es gas se contrae de V2 – V1 > 0 el trabajo es hecho sobre el gas

21 5. Trabajo y Termodinámica
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 5. Trabajo y Termodinámica 5.4 Ejemplo Una malteada se prepara mezclando 500 g de leche y helado en una licuadora. Si la licuadora tiene una potencias de 100 W, y la temperatura inicial de la leche y el helado es de 2ºC, calcule la temperatura de la mezcla después de haber sido mezclados por 3 minutos (ignore los sumideros y asuma que el calor especifico de la mezcla es la misma que la del agua) Solución

22 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases Si un sistema termodinámico se somete a un proceso, el estado del gas puede cambiar desde el estado inicial al estado final. El proceso puede ocurrir en un volumen constante, temperatura constante o presión constante, o la totalidad de estas pueden variar. Un proceso a presión constante se llama ISOBARICO W El incremento natural en el volumen no está restringido. El gas es capaz de levantar un pistón sin fricción en sus paredes. (P1, V1) (P2, V2) Gas P1 P2

23 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases La diferencia entre el calor y el trabajo realizado es el cambio en la energía interna del sistema. Cambio en la energía interna Trabajo realizado por el gas o sobre el gas Calor especifico a volumen constante Flujo de calor fuera o dentro del sistema Calor especifico a presión constante Un proceso a volumen constante es llamado ISOMETRICO P Incremento natural del volumen P1 (P1, V1) Gas P2 (P2, V2) V

24 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases El flujo de calor es igual al cambio de energía interna y no hay trabajo hecho por el sistema o sobre el sistema. Cambio en la energía interna Trabajo realizado por el gas o sobre el gas Calor especifico a volumen constante Flujo de calor fuera o dentro del sistema

25 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases Un proceso a temperatura constante es llamado ISOTERMICO. P P1 P2 (P1, V1) (P2, V2) Flujo de calor fuera o dentro del sistema . (no puede ser fácilmente calculado. Necesita usar Q=W) V Pero Para un proceso a temperatura constante, no hay cambio en la energía interna y el trabajo es igual al calor.

26 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases Un proceso donde la temperatura, presión y volumen cambia se llama POLITROPICO. P Se ve similar a una isoterma pero es una curva que depende de n γ se llama índice adiabático, su valor esta entre 1 y 1.6 P1 P2 (P1, V1) (P2, V2) V Trabajo hecho por el sistema o sobre el sistema Trabajo hecho por el sistema o sobre el sistema donde:

27 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases Trabajo hecho por el sistema o sobre el sistema donde: :Calor especifico poli trópico molar. Cuando T2 > T1. Q es negativo, pero puede ser positivo cuando Cn sea negativo dependiendo del valor de n

28 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 6. Procesos de Gases 6.1 Procesos de Gases Un proceso donde la temperatura, presión y volumen cambia se llama ADIABATICO. P V P1 P2 (P1, V1) (P2, V2) Este es un proceso muy importante para las maquinas de calor, ya que representa la transferencia mas eficiente de energía interna a trabajo sin perdidas en los alrededores. Los procesos adiabáticos pueden ser aproximados a sistema que están aislados, que tiene pequeñas diferencias de temperatura con los alrededores, o se produce muy rápido de manera que el calor no tiene tiempo de fluir fuera del sistema o hacia dentro del sistema. Para un proceso diabático, el trabajo hecho por el gas o realizado sobre el gas es igual al cambio de energía interna.

29 6. Procesos de Gases CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 6. Procesos de Gases Los procesos adiabáticos son un caso especial de los procesos politrópicos con n= γ Flujo de calor fuera o dentro del sistema . Volumen constante, presión constante, los procesos isotérmicos y adiabáticos son casos especiales de procesos politrópicos. T2 <>T1 ya que el proceso seria isotérmico Coeficiente adiabático

30 6. Procesos de Gases 6.2 Ejemplos CATOLICA DE VALPARAISO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 6. Procesos de Gases 6.2 Ejemplos 1. Un mol de nitrógeno mantenido a presión atmosférica, es calentado desde 20ºC a 100ºC: Dibujar un diagrama P-V Calcular el flujo de calor en el gas Calcular el cambio de energía interna del gas Calcular el trabajo realizado por el gas Solución A) Nitrógeno (P1, V1) (P2, V2)

31 6. Procesos de Gases 6.2 Ejemplos CATOLICA DE VALPARAISO Solución
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO 6. Procesos de Gases 6.2 Ejemplos Solución B) C) D)