Conceptos Termodinámica

EQUILIBRIO

Decimos que un sistema está en equilibrio cuando sus parámetros no se modifican en el transcurso de tiempo.

Este concepto de equilibrio, implica la coexistencia de tres equilibrios particulares que son: equilibrio mecánico, equilibrio térmico y equilibrio químico.

Decimos que un sistema está en equilibrio mecánico cuando la presión tiene el mismo valor en todas partes del sistema, o en su defecto hay una variación continua de ella en el sistema, pero el valor de presión en el sistema coincide con la presión que ejerce el medio contra el sistema. La única excepción puede de que no exista un equilibrio mecánico, nace si existe una separación entre sistema y medio, a través de una envoltura rígida.

Un sistema está en equilibrio térmico cuando el parámetro temperatura es único en todo el sistema, y además esta temperatura coincide con la que reina en el medio, salvo que ambos, estén separados por una pared adiabática.

Una pared adiabática es cuando dos cuerpos a diferente temperatura separados por una pared de estas características no interactúan entre sí.

Un sistema está en equilibrio químico cuando su composición química no se modifica es decir que macroscópicamente considerado no existen interacciones químicas entre las sustancias que lo componen.

CLASIFICACIÓN DE LO SISTEMAS

Sistema cerrado

 Se denomina sistema cerrado si durante el proceso en estudio no entra ni sale nada masa del mismo.

Sistema abierto

Se denomina sistema abierto si durante el proceso en estudio, entra y/o sale masa del mismo.

Los sistemas abiertos pueden subdividirse en: Sistemas abiertos circulantes y sistema abierto en régimen no permanente.

Un sistema abierto es circulante cuando la cantidad de masa que penetra al sistema es igual a la que sale del mismo durante el fenómeno de estudio, habiendo un flujo de masa por el sistema en régimen permanente.

Un sistema abierto en régimen no permanente es cuando solo entre masa a el y no sale, o solo sale y no entra. O la cantidad de masa que sale no es igual a la que entra o viceversa.

Si atendemos a la composición química, se pueden clasificar en: sistemas de un componente y sistemas de varios componentes.

Sistemas de un componente: es en donde toda la masa que lo integra pertenece a una misma especie química.

Sistema de varios componentes: es en donde la masa que lo integra pertenece a mas de una especie química.

Sistemas homogéneos se los denomina cuando estando en equilibrio todos sus parámetros tienen el mismo valor, o si alguno varia lo hace con continuidad.  Sistemas heterogéneos se los denomina cuando estando en equilibrio uno de sus parámetros toma más de un valor, variando con discontinuidad. Se dice que este sistema está integrado por fases.

Parámetros 

Un parámetro, indica una característica del sistema, derivado de las sensaciones del hombre.

Los parámetros lo clasificamos en dos, están los intensivos y los extensivos. Es extensivo cuando su valor en un sistema depende en forma directa de la masa que constituye el mismo. Un ejemplo el volumen.

Es intensivo cuando su valor en un sistema no depende en forma directa de la masa que constituye al mismo. Un ejemplo presión y temperatura.

ESTADO

Se denomina estado a una situación particular de un sistema. Los estados pueden ser de equilibrio o fuera de equilibrio. 

Cuando un sistema partiendo de un estado evoluciona pasando por sucesivos estados y alcanza finalmente un estado final, décimo que experimento una transformación.

CICLO

Cuando un sistema experimenta una transformación, donde el estado inicial de partida y el estado final coinciden, se denomina ciclo. También podemos encontrarlos bajo la denominación de transformación cerrada. Ciclo y transformación cerrada son sinónimos.

ECUACION DE ESTADO

Un estado de equilibrio se define mediante un determinado número de parámetros elegido de entre un número mayor. Por ejemplo, si el sistema es cerrado constituido por una masa gaseosa, podemos describir el estado indicando el volumen que ocupa y la temperatura a que se encuentra, pero también estaría descripto si se diera el volumen y presión, o también la presión y temperatura. Es decir que conocidos un par de los tres parámetros, presión, volumen y temperatura el estado está definido y por lo tanto el tercer parámetro queda determinado. En consecuencia, existirá una función que los vincula. 

                                                 f(p,T,v) = Q

una ecuación de estado, expresa algo peculiar de un sistema particular y no puede establecerse sino partiendo de la experiencia o mediante teorías sobre la constitución de la materia. 

El objetivo de la termodinámica no es establecer ecuaciones de estado de sistemas, sino que toda ecuación de estado expresa resultados de experiencias y su validez depende de la precisión de los experimentos de los que se deriva y se cumple únicamente dentro de los intervalos en que se han realizado las experiencias que le dan origen.

MATERIA

De define como materia a todo aquello de lo que están constituidos los cuerpos.

ENERGIA          

En mecánica definimos energía como la capacidad de producir un trabajo. En termodinámica denominamos la energía como la capacidad de producir cambios en los sistemas. Por ejemplo podemos tomar un cuerpo de peso G se eleva un altura h, a efectuado una cantidad de trabajo igual a  G * h que queda en el cuerpo bajo la forma de capacidad para efectuarlo nuevamente en sentido contrario cuando se lo deja caer. Igual cosa sucede con un resorte comprimido que al extenderse produce un trabajo equivalente al que se realizo al comprimirse. 

Otro ejemplo es la carga de pólvora al quemarse o una pila cargada al momento de hacer funcionar un motor, etc. En todos estos casos los cuerpos poseen energía, mecánica en los dos primeros (resorte y cuerpo) y química y eléctrica en los dos últimos (pólvora y pila).

Cuando la energía esta en estado de reposo se la denomina energía potencial.  También podemos decir que posee energía potencial un gas comprimido en un dentro de un recipiente cerrado o el volumen del agua en un depósito respecto de un nivel inferior. En cambio, cuando el trabajo aplicado a un cuerpo tiene por efecto alterar el estado de reposo, o modificar su movimiento rectilíneo uniforme, al final del trabajo, el cuerpo habrá adquirido una cantidad de energía equivalente que estará representada por la velocidad en ese momento.

Este tipo de energía ha sido denominada cinética. Esta energía es la correspondiente a los cuerpos en movimiento.

PROPIEDADES DE LA MATERIA

La materia es un concepto cualitativo. Para conocer su valor cuantitativo debemos recurrir a sus propiedades fundamentales: masa, forma y duración. Estas propiedades se conocen a través de los sentidos, y se perfeccionan mediante la medición de las mismas, obteniendo sus magnitudes.

La masa, es la sustancia de la materia, constituye una magnitud física común a todas las especies de la materia. Las materias pueden diferir unas de otras pero la masa es única.

La forma, es la disposición externa de la materia, y la porción de esta delimitada por la forma constituye su volumen.

La duración de la materia viene expresada por su persistencia en el tiempo.

ESTADOS DE LA MATERIA

Los estados de la materia son sólido, líquido y gaseoso.

Solido: cuando la masa, el volumen y la forma se mantienen constante.

Liquido: cuando la masa y el volumen se mantienen constante.

Gaseoso: cuando solamente la masa se mantiene constante.

La mayoría de las materias pueden tomar cualquiera de estos tres estados y su explicación esta basada en la teoría atómica. Cuanto mas se divide la materia en pequeños componentes, esta compuesta de átomos de diferentes clases, y esto tienen la propiedad de actuar sobre los otros.

Cuando están próximos entre si algunos se atraen, en otros casos se repelen. Si la fuerza atractiva de las moléculas supera la fuerza repulsiva, la materia se encuentra en estado sólido.

Si ambas fuerzas son iguales, siempre será fácil romper ese equilibrio, adoptando la forma del recipiente que la contiene, estará en estado líquido.

Si las fuerzas de repulsión son mayores que las de atracción, las moléculas tienden a ocupar todo el espacio disponible, estar en estado gaseoso.

CALOR Y TEMPERATURA

Por calor se entiende la energía que produce el movimiento de las moléculas de la materia; sin calor no existiría tal movimiento.

Para expresar cualitativamente ese movimiento molecular se define la temperatura, la cual constituye una medida del estado térmico de la materia, manifestado por su actividad molecular.

El calor lo podemos definir como energía calorífica, ya que es la forma más común de encontrarlo en la naturaleza.

La mayor parte de la energía calorífica de que se dispone en la tierra es el sol. Se la mide por la constante solar, que equivale a una potencia de 1,8 CV por metro2. El calor se mide en los calorímetros, luego de un proceso físico provocado en ellos. La temperatura se mide con termómetros, los cuales hace uso de alguna propiedad medible que varia con la temperatura, como la longitud de una barra metálica, el volumen de un liquido o de un gas, la resistencia de un alambre o el color del filamento de una lampara, etc. Cuando la temperatura es muy elevada, el aparato de medición adquiere el nombre de pirómetro.

CAMBIOS DE ESTADO

Variando algunas de las propiedades, la materia puede sufrir cambios de estado, los cuales se pueden efectuar de dos maneras. 

  • De modo continuo, como en el caso de la dilatación térmica.
  • De manera discontinua, como ocurre en la fusión.

A continuación, les dejo un video explicativo sobre los cambios de estados. Para que puedan comprender de manera mas fácil, los diferentes fenómenos.

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