Montoya Qu es la Termodinmica La termodinmica es

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¿Qué es la Termodinámica? • • La termodinámica es una rama de la física

¿Qué es la Termodinámica? • • La termodinámica es una rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el trabajo y el calor. Se ocupa de las propiedades macroscópicas de la materia, especialmente las que son afectadas por el calor y la temperatura, así como de la transformación de unas formas de energía en otras. Es importante saber que la termodinámica estudia los sistemas que se encuentran en equilibrio. Esto significa que la presión, temperatura, volumen y la masa, que se conocen como variables termodinámicas, son constantes.

 • • • Relación entre trabajo y calor Tanto el calor como el

• • • Relación entre trabajo y calor Tanto el calor como el trabajo son modos en que los cuerpos y los sistemas transforman su energía. Esto permite establecer un equivalente mecánico del calor. Ejemplo: De trabajo mecánico a calor: Frota dos bloques de hielo, y comprobarás que se derriten, aún cuando estés en una cámara frigorífica a una temperatura menor de 0 ºC. De calor a trabajo mecánico: En una máquina de vapor, la expansión del vapor de agua que se calienta produce el desplazamiento del pistón. Trabajo y calor son métodos de transferencia de energía. Utilizan la misma unidad de medida en el Sistema Internacional, el julio (J). Además, es habitual utilizar la caloría (cal) para medir el calor. La conversión entre calorías y julios viene dada por: 1 cal = 4. 184 J ⇔ 1 J = 0. 24 cal Esta relación entre trabajo y calor, que hoy vemos de manera clara, no lo fue hasta el S. XIX. El estudio del trabajo y del calor eran disciplinas separadas: la mecánica y la termología respectivamente. Así también las unidades en que se medían cada uno, julio y caloría. A mediados del S. XIX el científico inglés James Prescott Joule diseñó un dispositivo capaz de medir el equivalente mecánico del calor, logrando la equivalencia anterior

Experimento de Joule • Joule ideó una máquina conformada por una pesa unida a

Experimento de Joule • Joule ideó una máquina conformada por una pesa unida a unas aspas por medio de un sistema de poleas, que se encuentran sumergidas en un recipiente de vidrio lleno de agua. Cuando se deja caer la pesa desde la posición A hasta B, tal y como se muestra en la figura, esta pierde su energía potencial invirtiéndose en girar las aspas dentro del líquido. La fricción de las aspas con el agua provoca un aumento de la temperatura del mismo. A partir de los resultados obtenidos con esta máquina se obtuvo la equivalencia 1 cal = 4. 184 J ⇔ 1 J = 0. 24 cal

¿Qué estudia la termodinámica? • La termodinámica es la parte de la física que

¿Qué estudia la termodinámica? • La termodinámica es la parte de la física que 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. Tiene las siguientes características: 1. Se aplica al estudio de sistemas que contienen muchas partículas y no al estudio de moléculas, átomos o partículas subatómicas 2. Estudia el sistema en situaciones de equilibrio, que son aquellas a las que sistema tiende a evolucionar y caracterizadas porque en ellas todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas 3. Sus postulados son indemostrables, están basados en las experiencias y no en razonamientos teóricos

Componentes de un sistema termodinámico • Sistema • • El sistema es la parte

Componentes de un sistema termodinámico • Sistema • • El sistema es la parte del universo que vamos a estudiar. Por ejemplo, un gas, nuestro cuerpo o la atmósfera son ejemplos de sistemas que podemos estudiar desde el punto de vista termodinámico. Los sistemas se clasifican en:

Componentes de un sistema termodinámico • Entorno o ambiente • Todo aquello que no

Componentes de un sistema termodinámico • Entorno o ambiente • Todo aquello que no es sistema y que se sitúa alrededor de él, se denomina ambiente o entorno. Los sistemas interaccionan con el entorno transfiriendo masa, energía o las dos cosas. • Frontera o paredes del sistema • • • A través de ellas se comunica el sistema con el entorno. Existen los siguientes tipos: Fijas: Mantienen el volumen constante Móviles: El volumen es variable y depende de la presión en el lado del sistema y . de la del entorno Conductoras o diatérmanas: Al conducir calor permiten que la temperatura a . . ambos lados de la misma sea igual Adiabáticas: No conducen calor. Son los aislantes térmicos

 • Variables y ecuación de estado

• Variables y ecuación de estado

Gases ideales

Gases ideales

Propiedades generales de un gas ideal • Homogeneidad. • Las moléculas se pueden considerar

Propiedades generales de un gas ideal • Homogeneidad. • Las moléculas se pueden considerar como masas puntuales • Las paredes del recipiente que las contiene son rígidas.

Condiciones físicas • A presiones bajas o moderadas y a temperatura • No muy

Condiciones físicas • A presiones bajas o moderadas y a temperatura • No muy bajas , se comportan matemáticamente del mismo modo, por tanto obedecen a las mismas leyes.

Concepto de Gas Ideal y diferencia entre Gas Ideal y Real. • • •

Concepto de Gas Ideal y diferencia entre Gas Ideal y Real. • • • Los gases reales son los que en condiciones ordinarias de temperatura y presión se comportan como gases ideales; pero si la temperatura es muy baja o la presión muy alta, las propiedades de los gases reales se desvían en forma considerable de las de gases ideales Los Gases que se ajusten a estas suposiciones se llaman gases ideales y aquellas que no se les llama gases reales, o sea, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros. 1. - Un gas esta formado por partículas llamadas moléculas. Dependiendo del gas, cada molécula esta formada por un átomo o un grupo de átomos. Si el gas es un elemento o un compuesto en su estado estable, consideramos que todas sus moléculas son idénticas. 2. - Las moléculas se encuentran animadas de movimiento aleatorio y obedecen las leyes de Newton del movimiento. Las moléculas se mueven en todas direcciones y a velocidades diferentes. Al calcular las propiedades del movimiento suponemos que la mecánica newtoniana se puede aplicar en el nivel microscópico. Como para todas nuestras suposiciones, esta mantendrá o desechara, dependiendo de sí los hechos experimentales indican o no que nuestras predicciones son correctas. 3. - El numero total de moléculas es grande. La dirección y la rapidez del movimiento de cualquiera de las moléculas puede cambiar bruscamente en los choques con las paredes o con otras moléculas. Cualquiera de las moléculas en particular, seguirá una trayectoria de zigzag, debido a dichos choques. Sin embargo, como hay muchas moléculas, suponemos que el gran numero de choques resultante mantiene una distribución total de las velocidades moleculares con un movimiento promedio aleatorio.

Variables de estado

Variables de estado

Propiedades de los gases • • 1. 2. 3. 4. El estado gaseoso es

Propiedades de los gases • • 1. 2. 3. 4. El estado gaseoso es un estado disperso de la materia, es decir , que las moléculas del gas están separadas unas de otras por distancias mucho mayores del tamaño del diámetro real de las moléculas. Resuelta entonces, que el volumen ocupado por el gas (V) depende de la presión (P) , la temperatura (T) y de la cantidad o numero de moles ( n). Las propiedades de la materia en estado gaseoso son: Se adaptan a la forma y el volumen del recipiente que los contiene. Un gas, al cambiar de recipiente, se expande o se comprime, de manera que ocupa todo el volumen y toma la forma de su nuevo recipiente. Se dejan comprimir fácilmente. Al existir espacios intermoleculares, las moléculas se pueden acercar unas a otras reduciendo su volumen, cuando aplicamos una presión. Se difunden fácilmente. Al no existir fuerza de atracción intermolecular entre sus partículas, los gases se esparcen en forma espontánea. Se dilatan, la energía cinética promedio de sus moléculas es directamente proporcional a la temperatura aplicada.

Variables que afectan el comportamiento de los gases • • PRESIÓN: Es la fuerza

Variables que afectan el comportamiento de los gases • • PRESIÓN: Es la fuerza ejercida por unidad de área. En los gases esta fuerza actúa en forma uniforme sobre todas las partes del recipiente. La presión atmosférica es la fuerza ejercida por la atmósfera sobre los cuerpos que están en la superficie terrestre. Se origina del peso del aire que la forma. Mientras más alto se halle un cuerpo menos aire hay por encima de él, por consiguiente la presión sobre él será menor. TEMPERATURA: Es una medida de la intensidad del calor, y el calor a su vez es una forma de energía que podemos medir en unidades de calorías. Cuando un cuerpo caliente se coloca en contacto con uno frío, el calor fluye del cuerpo caliente al cuerpo frío. La temperatura de un gas es proporcional a la energía cinética media de las moléculas del gas. A mayor energía cinética mayor temperatura y viceversa. La temperatura de los gases se expresa en grados kelvin. CANTIDAD: La cantidad de un gas se puede medir en unidades de masa, usualmente en gramos. De acuerdo con el sistema de unidades SI, la cantidad también se expresa mediante el número de moles de sustancia, esta puede calcularse dividiendo el peso del gas por su peso molecular. VOLUMEN: Es el espacio ocupado por un cuerpo. DENSIDAD: Es la relación que se establece entre el peso molecular en gramos de un gas y su volumen molar en litros.

Variables y ecuación de estado • • Variables Intensivas: Son aquellas que no dependen

Variables y ecuación de estado • • Variables Intensivas: Son aquellas que no dependen del tamaño del sistema. Por ejemplo la presión, la temperatura, la concentración o la densidad. • • Variables Extensivas: Son aquellas que dependen del tamaño del sistema. Por ejemplo el volumen, la masa o la energía.

El cero absoluto •

El cero absoluto •

pregunta • • Considere los siguientes gases en condiciones TPE 2 kg de Hidrogeno

pregunta • • Considere los siguientes gases en condiciones TPE 2 kg de Hidrogeno 32 Kg de oxigeno 28 Kg de nitrógeno • ¿Qué volumen ocupa cada uno de ellos bajo estas condiciones?

Gases

Gases

Masa molecular, cte. R y densidad de algunos gases

Masa molecular, cte. R y densidad de algunos gases

Masa molecular, cte. R y densidad de algunos gases

Masa molecular, cte. R y densidad de algunos gases

Número de Avogadro

Número de Avogadro

 • A • Primer Principio. Aplicación a procesos reversibles (3/3) • Transformación adiabática

• A • Primer Principio. Aplicación a procesos reversibles (3/3) • Transformación adiabática • En una transformación adiabática no se produce intercambio de calor del gas con el exterior (Q = 0). Se define el coeficiente adiabático de un gas (γ) a partir de las capacidades caloríficas molares tomando distintos valores según el gas sea monoatómico o diatómico:

 • El calor (representado con la letra Q) es la energía transferida de

• El calor (representado con la letra Q) es la energía transferida de un sistema a otro (o de un sistema a sus alrededores) debido en general a una diferencia de temperatura entre • ellos. El calor que absorbe o cede • un sistema termodinámico depende normalmente del tipo de transformación que ha • experimentado dicho sistema. • Dos o más cuerpos en contacto • que se encuentran a distinta temperatura alcanzan, pasado un tiempo, el • equilibrio térmico (misma temperatura). Este hecho se conoce como Principio Cero de la Termodinámica, y se ilustra en la siguiente figura.

 • Un aspecto del calor que conviene resaltar es que los cuerpos no

• Un aspecto del calor que conviene resaltar es que los cuerpos no almacenan calor sino energía interna. El calor es por tanto la transferencia de parte de dicha energía interna de un sistema a otro, con la condición de que ambos estén a diferente temperatura. Sus unidades en el Sistema Internacional son los julios (J) • La expresión que relaciona la cantidad de calor que intercambia una masa m de una cierta sustancia con la variación de temperatura Δt que experimenta es: • El calor específico (o capacidad calorífica específica) es la energía necesaria para elevar en un 1 grado la temperatura de 1 kg de masa. Sus unidades en el Sistema Internacional son J/kg K.

 • En el Sistema Internacional, las unidades de la capacidad calorífica molar son

• En el Sistema Internacional, las unidades de la capacidad calorífica molar son J/mol. K. • Criterio de signos: A lo largo de estas páginas, el calor absorbido por un cuerpo será positivo y el calor cedido negativo.

 • • • Capacidad calorífica de un gas ideal Para un gas ideal

• • • Capacidad calorífica de un gas ideal Para un gas ideal se definen dos capacidades caloríficas molares: a volumen constante (CV), y a presión constante (Cp). CV: es la cantidad de calor que es necesario suministrar a un mol de gas ideal para elevar su temperatura un grado mediante una transformación isócora. Cp: es la cantidad de calor que es necesario suministrar a un mol de gas ideal para elevar su temperatura un grado mediante una transformación isóbara. El valor de ambas capacidades caloríficas puede determinarse con ayuda de la teoría cinética de los gases ideales. Los valores respectivos para gases monoatómicos y diatómicos se encuentran en la siguiente tabla: R es la constante universal de los gases ideales, R = 8. 31 J/mol K.

Leyes de los gases • • • Eventos físicos que alteran el comportamiento de

Leyes de los gases • • • Eventos físicos que alteran el comportamiento de los gases y que son: Temperatura (T): Ejerce gran influencia sobre el estado de las moléculas de un gas aumentando o disminuyendo la velocidad de las mismas. Para trabajar con nuestras fórmulas siempre expresaremos la temperatura en grados Kelvin. Cuando la escala usada esté en grados Celsius, debemos hacer la conversión, sabiendo que 0º C equivale a 273, 15 º Kelvin. Presión (P): Se define como la relación que existe entre una fuerza (F) y la superficie (S) sobre la que se aplica, y se calcula con la fórmula

Leyes de los gases • • Volumen: Recordemos que volumen es todo el espacio

Leyes de los gases • • Volumen: Recordemos que volumen es todo el espacio ocupado por algún tipo de materia. En el caso de los gases, estos ocupan todo el volumen disponible del recipiente que los contiene. Hay muchas unidades para medir el volumen, pero en nuestras fórmulas usaremos el litro (L) Cantidad de gas: Otro parámetro que debe considerarse al estudiar el comportamiento de los gases tiene que ver con la cantidad de un gas la cual se relaciona con el número total de moléculas que la componen. Para medir la cantidad de un gas usamos como unidad de medida el mol. • 1 mol de (moléculas o átomos) = 6, 022 • 10 23

Ley de Avogadro • • Esta ley relaciona la cantidad de gas (n, en

Ley de Avogadro • • Esta ley relaciona la cantidad de gas (n, en moles) con su volumen en litros (L), considerando que la presión y la temperatura permanecen constantes. El enunciado de la ley dice que: El volumen de un gas es directamente proporcional a la cantidad del mismo. Esto significa que: Si aumentamos la cantidad de gas, aumentará el volumen del mismo. Si disminuimos la cantidad de gas, disminuirá el volumen del mismo. Podemos expresarlo con la siguiente fórmula:

Gráfico

Gráfico

Aplicando la ley de Avogadro • Tenemos 3, 50 L de un gas que,

Aplicando la ley de Avogadro • Tenemos 3, 50 L de un gas que, sabemos, corresponde a 0, 875 mol. Inyectamos gas al recipiente hasta llegar a 1, 40 mol, ¿cuál será el nuevo volumen del gas? (la temperatura y la presión las mantenemos constantes). • • • Datos: V 1: 3, 50 L N 1: 0. 875 mol V 2: ? N 2: 1, 40 mol Solución L

Ley de boyle • • • La ley de Boyle establece que la presión

Ley de boyle • • • La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante. Si la presión disminuye, el volumen aumenta. Si la presión aumenta, el volumen disminuye.

Gráfico

Gráfico

¿Por qué ocurre esto? •

¿Por qué ocurre esto? •

Aplicando la ley de Boyle • Un tanque contiene 200 litros de aire y

Aplicando la ley de Boyle • Un tanque contiene 200 litros de aire y soporta una presión de 1 atm. ¿Cuál será el volumen si la presión varía a 2 atm? • Datos: • V 1: 200 L • P 1: 1 atm • P 2: 2 atm • V 2: ?

Ley de Gay-Lussac •

Ley de Gay-Lussac •

Gráfico

Gráfico

¿Por qué ocurre esto? •

¿Por qué ocurre esto? •

Aplicando la ley de Gay. Lussac • Un gas ideal se encuentra en un

Aplicando la ley de Gay. Lussac • Un gas ideal se encuentra en un recipiente cerrado de volumen constante, a la presión de 2 atmosferas y 75°C de temperatura. ¿Cuál sería su nueva presión si la temperatura bajo a 50°C? • Datos: • T 1: 75°C 348 Kelvin • T 2: 50°C 323 Kelvin • P 1: 2 atm • P 2: ?

Ley de Charles •

Ley de Charles •

Gráfico

Gráfico

¿Por qué ocurre esto? •

¿Por qué ocurre esto? •

Aplicando la ley de Charles • Un gas ideal ocupa un volumen de 1,

Aplicando la ley de Charles • Un gas ideal ocupa un volumen de 1, 28 litros a 25°C, si aumentamos la temperatura a 50°C ¿Cuál es el nuevo volumen si la presión permanece constante? • • • Datos: T 1: 25°C 298 Kelvin T 2: 50°C 323 Kelvin V 1: 1, 28 Litros V 2: ?

En resumen “Pancho Villa no toca rancheras”

En resumen “Pancho Villa no toca rancheras”

Ley de Dalton de las presiones parciales. • La presión parcial del componente de

Ley de Dalton de las presiones parciales. • La presión parcial del componente de una mezcla de gases se define como la presión que ejercería el gas componente , si ocupara solo el volumen completo. Entonces , • la presión total de • la mezcla de • gases ideales , es • la suma de las • presiones • parciales de los • gases que la • componen.

Resumen

Resumen

Constante de Planck • La constante de Planck es la relación entre la cantidad

Constante de Planck • La constante de Planck es la relación entre la cantidad de energía y de frecuencia asociadas a un cuanto o a una partícula elemental. Es una constante física que desempeña un papel central en la teoría de la mecánica cuántica y recibe su nombre de su descubridor, Max Planck, uno de los padres de dicha teoría. La constante de Planck (representada por la letra h) relaciona la energía (E) de los fotones con la frecuencia (ν)de la onda lumínica (letra griega nu) según la fórmula:

Constante de Planck • • • En el año 1901, el físico alemán Max

Constante de Planck • • • En el año 1901, el físico alemán Max Planck afirmó que sólo era posible describir la radiación del cuerpo negro con una fórmula matemática que correspondiera con las medidas experimentales, si se aceptaba la suposición de que la materia sólo puede tener estados de energía discretos y no continuos. Esto quiere decir que ciertas propiedades físicas sólo toman valores múltiplos de valores fijos en vez de un espectro continuo de valores. La idea era que la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro se podía modelar como una serie de osciladores armónicos con una energía cuántica. Relacionando la energía (E) de los fotones de la radiación, con su frecuencia y con su momento angular, se obtiene:

Constante de Planck • Este modelo se mostró muy exacto y desde entonces se

Constante de Planck • Este modelo se mostró muy exacto y desde entonces se denomina ley de Planck y significa que el universo es cuántico y no continuo. A nivel macroscópico no parece ser así, pues el valor de la constante de Planck es tan pequeño que el efecto de esta "cuantización" de los valores de la energía de cualquier sistema aparentemente varían de forma continua. • La constante de Planck es uno de los números más importantes del universo y ha dado lugar a que la mecánica cuántica ha sustituido a la física tradicional. La constante de Planck aparece igualmente dentro del enunciado del principio de incertidumbre de Heisenberg.

EJEMPLOS DE LA LEY DE PLANCK 1. La aplicación de la Ley de Planck

EJEMPLOS DE LA LEY DE PLANCK 1. La aplicación de la Ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99% de la radiación emitida está entre las longitudes de onda 0, 15 μm (micrómetros o micras) y 4 micras y su máximo (Ley de Wien) ocurre a 0, 475 micras. Como 1 nanómetro 1 nm = 10 -9 m=10 -4 micras resulta que el Sol emite en un rango de 150 nm hasta 4000 nm y el máximo ocurre a 475 nm. La luz visible se extiende desde 400 nm a 740 nm. La radiación ultravioleta u ondas cortas iría desde los 150 nm a los 400 nm y la radiación infrarroja u ondas largas desde las 0, 74 micras a 4 micras. 2. La aplicación de la Ley de Planck a la Tierra con una temperatura superficial de unos 288 K (15 °C) nos lleva a que el 99% de la radiación emitida está entre las longitudes de onda 3 μm (micrómetros o micras) y 80 micras y su máximo ocurre a 10 micras. La estratosfera de la Tierra con una temperatura entre 210 y 220 K radia entre 4 y 120 micras con un máximo a las 14, 5 micras.

Aplicaciones •

Aplicaciones •

 • 3. - La presión manométrica en la llanta de un automóvil es

• 3. - La presión manométrica en la llanta de un automóvil es de 305 Kpa cuando su temperatura es de 15ºC. Después de correr a alta velocidad , el neumático se calentó y su presión subió a 360 Kpa. ¿Cual es entonces la temperatura del gas en la llanta? • 4. - un gas a temperatura y presión ambiente esta contenido en un cilindro por medio de un piston. Este es empujado de modo que su volumen se reduce a una octava parte de su valor inicial. Despues de que la temperatura del gas ha vuelto a ser igual a la del ambiente. • ¿Cuál será la presión manométrica del gas? (La presión atmosférica es de 740 mm de Hg)

 • 10. - 200 gramos de Helio están confinados en un estanque de

• 10. - 200 gramos de Helio están confinados en un estanque de 20 litros. La presión manométrica del estanque es de 4 atmosferas cuando la presión atmosférica del lugar es de 1, 02 atmosferas. Calcular • A)La temperatura a que se encuentra el gas. • B) Suponga que el estanque puede variar su volumen por algún mecanismo, determine la presión manométrica del “nuevo estanque” cuando su volumen a disminuido en un 30ª y la temperatura a aumentado en 40ºC

 • 11. - Con el extremo abierto hacia abajo , un tubo de

• 11. - Con el extremo abierto hacia abajo , un tubo de ensayo cilíndrico de 15 cm de largo es sumergido en un lago. • ¿Qué tan profundo en el lago debe estar el tubo para que el volumen de aire en el sea de un tercio de cuando fue introducido? • 12. - Un estanque contiene 18 gramos de gas Nitrógeno a una presión de 4, 50 atm. • ¿Qué cantidad de gas de hidrogeno a 3, 5 atm contendría el mismo depósito?

 • Montoya. -

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