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TERMODINÁMICA, Luego de experiencias realizadas y en la búsqueda de una…

- - - - Este sistema y medio por el cual existe un intercambio, se lo puede definir como un nuevo sistema aislado.
  - - - Ya que, solo realiza trabajo la componente paralela al desplazamiento.
      - el valor del trabajo mecánico es el producto escalar de la fuerza por el desplazamiento del punto de aplicación de la misma.
        
        ¨F¨ es la resultante de las fuerzas actuantes sobre el sistema
        
        ¨dx¨ es el desplazamiento elemental sufrido
        
        dW es un diferencial inexacto porque su valor, entre un estado inicial y otro final es dependiente de la trayectoria,
        
        Para su calculo debe conocerse el valor de la fuerza en cada punto de la misma.
        
        Importante adoptar una convención de signos
        
        (+) si recibe trabajo
        
        (-) si entrega trabajo
      - Valor para un desplazamiento finito:
        
        Es una variable de proceso ya que depende de la forma de la trayectoria, tamaño y dirección del vector fuerza durante el proceso (durante todos los puntos).
        
        Ya que, para hallar el valor del trabajo se debe conocer la relación entre la fuerza y el desplazamiento del punto de aplicación, es posible obtener dicho valor de forma indirecta.
    - - Concepto de transferencia de energía
        
        Mediante el movimiento de una masa puntual en un campo de fuerzas.
        
        Se lo puede describir mediante dos vectores: uno de posición ¨r¨ y el de impulso ¨I¨
        
        Según la 2ª ley de Newton la variación temporal del impulso es causada por una fuerza actuante
        
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    - - Se considera un caso especial donde la fuerza ¨F¨ esta dado por un campo de fuerzas conservativo y para este caso campo gravitatorio.
        
        De esta manera, se encontrará otra forma de hallar el valor del trabajo mecánico. Se presentará a continuación.
        
        El trabajo obtenido de la fuerza llamada peso se debe a una disminución de la energía potencial gravitatoria. Inversamente, si el sistema recibe trabajo mecánico mediante una fuerza contraria al peso, el sistema aumenta su energía potencial gravitatoria.
        
        La integral de trabajo no depende mas de la trayectoria, sino solo de la diferencia de la energía potencial entre el comienzo y el final de la trayectoria.
    - - Def: es la fuerza que acelera al sistema y lo eleva en un campo gravitatorio
        
        Trabajo no es una variable de estado, sino una de proceso.
        
        Para el caso: la única fuerza actuante sobre el cuerpo, sea la gravitatoria, entonces el trabajo mecánico es igual a cero.
        
        Por ende, la energía mecánica total de un sistema en movimiento actuando en un campo gravitatorio, permanece constante, si solo actúa la fuerza de dicho campo.
        
        El trabajo mecánico total, o el realizado por la suma de las fuerzas exteriores exceptuando la del campo gravitatorio, es igual al incremento de la energía mecánica total
  - - - La fuerza de restitución fue estudiada por Robert Hooke quien observo que la misma era proporcional a los alargamientos y una constante que depende del material. El signo (-) es para indicar que Fr es contrario al desplazamiento x.
        
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        Aparece (-) porque las dos fuerza van en sentido contrario.
  - - - A tales sistemas se le suele llamar termoelásticos o hidrostáticos.
    - - Se cumple si el sistema recibe trabajo (compresión) su signo es positivo, y si entrega trabajo (expansión) resulta negativo.
        
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      - POTENCIA A PARTIR DEL TRABAJO POR VARIACIÓN DEL CAMBIO DE VOLUMEN
        
        Solo se puede determinar la potencia y diferencial de trabajo cuando el movimiento del pistón es con conocido y con esto dv/dt
        
        p(t) depende de:
        
        De la velocidad del pistón.
        
        De la forma del recinto
        
        Estado del gas
        
        El valor de la integral depende del tipo de transformación entre los estados. El trabajo no es una función de estado, es una variable de proceso, es dependiente del camino, cada forma puede admitir diferentes valores.
        
        Si se desea resolver esta integral se debe conocer en todo momento la relación que existe entre ¨p¨ y ¨v¨
        
        Es decir, que las modificaciones de cada uno, sean hechas de modo que los apartamientos del equilibrio no sean brusco.
        
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  - - - Desarrollo
        
        Flujo estacionario: los parámetros de estado de la masa que fluye son solo función de la posición y no del tiempo
        
        Trabajo de circulación:
        
        Potencia en el eje:
  - - - El trabajo que un sistema cerrado intercambia con el medio en una transformación adiabática depende del estado inicial y final, independiente de los pasos intermedios.
        
        Así, podemos introducir el concepto de
        
        ENERGÍA INTERNA
        
        Es una nueva propiedad de la materia
        
        Se puede concebir como la sumatoria de las diferentes formas que tienen los constituyentes de la materia (traslación, rotación, vibración de cada molécula)
        
        Por ende, podemos decir que el trabajo adiabático es el que provoca una diferencia de energía interna
        
        Por ende, podemos obtener sus variaciones a partir de variaciones de los trabajos suministrados.
        
        Una transformación adiabática es un proceso en el cual no hay transferencia de calor (Q=0) entre el sistema y su entorno. Esto significa que cualquier cambio en la energía interna del sistema se debe exclusivamente al trabajo realizado sobre el sistema o por el sistema.
    - - Es una nueva forma energía que atraviesa los límites del sistemas
      - Se puede transferir y producir variación de energía interna sin producción de trabajo.
      - Def: es la energía que atraviesa los límites del sistema sin que sea necesario la producción de trabajo
        
        Def: es la energía que se transfiere entre dos sistemas que están a distintas temperaturas y se encuentran separados por una pared diaterma
      - El calor no se almacena, lo que si se puede guardar es la energía interna que depende de las propiedades del sistema como temperatura, volumen, presión, etc.
      - El traspaso de energía mediante materia solo se da para sistemas abiertos.
    - - =
      - Sistema cerrado en reposo
    - - Es una propiedad específica del sistema y es función de dos variables.
      - Este es el calor específico a v=cte
        
        Llamado asi por razones históricas
        
        La otra derivada parcial, se puede hacer cero, ya que estamos trabajando para gases perfectos, con la presión tendiendo a cero.
        
        Esto se podrá demostrar con la experiencia de:
        
        EXPANSIÓN LIBRE DE UN GAS
        
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    - - H = U + PV
    - - Relación de Mayer
        
        Exponente de las adiabáticas
    - - Se puede determinar Cp sin suministro de calor.
      - Joule pudo determinar con trabajo de disipación el Cpm del agua
      - Ecuación de la calorimetría
      - Determinación del calor específico
      - Calor específico para sólidos y líquidos
        
        El concepto más importante es que son incompresibles, es decir su volumen no cambia. Por ende, la parte de p*v es muy pequeño que se puede quitar.
        
        no hay una diferencia real entre calentar a presión constante o a volumen constante
        
        El cambio de entalpia junto al cambio de energía interna son prácticamente iguales.
        
        ¿Por qué es diferente para un gas?
        
        Porque en un gas el termino pv no es insignificante.De hecho, los gases son muy compresibles y su volumen cambia drásticamente con la presión y la temperatura.
        
        Para gases ideales por más que to=0°C y por ende u=0 el h no será cero, porque queda p.v
        
        P.V ES GRANDE E IMPOSIBLE DE IGNORAR
  - - - A los límites del sistema abierto se lo llama volumen de control (vc)
      - La energía se transfiere como trabajo, calor y con materia.
      - Antes de analizar la energía se debe analizar el flujo de masa
        
        Se debe establecer el balance de masas.
        
        Balance de masas:
        
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        Como resultado queda el caudal másico que fluye o intensidad del flujo
        
        Si existen varios canales por el cual pueda ingresar o salir la materia se puede obtener:
        
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    - - es
        
        Es la cantidad total de masa contenida dentro de un volumen de control a lo largo del tempo.
        
        La velocidad de variación de la masa es el efecto de como cambia la masa total acumulada dentro del sistema debido a esos caudales.
    - - es
        
        Es la cantidad de masa que atraviesa una frontera o superficie por unidad de tiempo.
        
        [kg / s]
        
        ¨w¨ Depende de la velocidad de los flujos (fluidos) (velocidad de escurrimiento)
        
        [m / s]
        
        Del valor medio de la densidad
        
        De las secciones
      - Por causa de los rozamientos la velocidad disminuye en las zonas más próximas al tubo. Por lo cual se calcula un valor medio de la velocidad del flujo de masa* y el valor medio de la densidad.
    - - EL FLUJO MÁSICO NO NECESITA INFORMACIÓN ADICIONAL, SIN EMBARGO, EL CAUDAL VOLUMÉTRICO SI DEPENDE DE LA PRESIÓN Y TEMERATURA, YA QUE EL VOLUMEN ESPECÍFICO SI DEPENDE DEL MISMO
        
        La masa es una propiedad fundamental de la materia. Un kilogramo de gas es un kilogramo de gas, no importa si está caliente, frío, comprimido o expandido. La cantidad de "materia" es la misma. Por eso, el flujo másico es constante a lo largo de una tubería (si no hay fugas), basándose en el principio de conservación de la masa.
        
        El caudal volumétrico mide cuántos metros cúbicos o litros de gas pasan por un punto cada segundo (m³/s o L/s). Y aquí está el problema: el volumen de un gas no es constante; depende drásticamente de su presión y temperatura
- - - - Condiciones
      - qué nos permite?
      - qué es?
  - - - P mayor a Po
      - P menor a Po
- - - - Pared adiabática
        
        Dos sistemas separados pueden mantener su equilibrio de forma independiente.
      - Pared diatérma
        
        Dos sistemas separados alcanzan un estado final que no cambia en el tiempo y se denomina equilibrio térmico
        
        Equilibrio térmico: es decir, la temperatura en el estado final no cambia.
    - - dos sistema termodinámicos que están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre si.
  - - - Esta propiedad de estado permite a la energía fluir de un sistema a otro. La misma se llamará temperatura
        
        La temperatura es la propiedad común que tienen los cuerpos en equilibrio térmico.
      - Necesito un tercer sistema C para comprobar si el sistema A y sistema B están en equilibrio. Poniéndolo en contacto.
        
        La masa del sistema C debe ser:
        
        Pequeño en comparación de los otros, de esta manera en el equilibrio térmico si A y B varían, C no producirá alteraciones apreciables.
        
        Debe tener alguna propiedad que varíe con la temperatura, mientras otras propiedades se mantienen constante.
        
        Este nuevo sistema C es como un aparato de medición (porque establece si dos sistemas están en equilibrio) y se lo llamará termómetro
        
        A los valores particulares fijos que toma la magnitud elegida del sistema C (luego del equilibrio térmico) se le asigna de forma arbitraría un valor obteniéndose así las temperaturas empíricas
    - - Se ha comprobado que cuando un sólido y un líquido de la misma sustancia, manteniéndolos a igual presión, coexisten en equilibrio solo a una temperatura definida.
        
        Estos estados pueden reproducirse fácilmente, eligiendo cualquier sistema que cumpla estas condiciones y los mismos, se denominan puntos fijos
        
        PFN (punto de fusión normal) : temperatura a la cual coexisten en equilibrio el sólido y el líquido a presión atmosférica normal.
        
        Para establecer una escala de temperatura se pueden elegir estos puntos fijos de cualquier sustancia.
        
        Estos se lo definieron como valores particulares de la variable termométrica
        
        PEN (punto de ebullición normal):
        temperatura a la cual coexisten en equilibrio el líquido y vapor a presión atmosférica normal.
        
        PSN (punto de sublimación normal): temperatura a la cual coexisten en equilibrio el sólido y vapor a presión atmosférica normal.
        
        También puede coexistir las tres fases de una misma sustancia a una presión determinada, esta se llamará PT (punto triple)
    - - Basadas en:
        
        DOS PUNTOS FIJOS
        
        Se asigna valores numéricos arbitrarios (en correspondencia de valores particulares de la variable termométrica) para determinar las temperaturas empíricas
        
        Por ende, esto implica un relación funcional de la variable termométrica ¨¨X¨ y el valor atribuido de la temperatura.
        
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        Θ : es el valor atribuido de temperatura
        
        UN PUNTO FIJO TERMÓMETRO DE GAS Y TEMPERATURA ABSOLUTA
        
        1) El primero en analizarlo fue: Guillaume Amontons
        
        El observo que una masa de aire a v = cte variaba su presión en forma proporcional a la variación de la temperatura. Cualquiera fuera la presión inicial.
        
        Por ende, de acuerdo a estas experiencias y extrapolando los resultados por debajo del punto de congelación del agua.
        
        Él concebía que a una cierta temperatura que denominó cero absoluto el aire del termómetro no ejercería presión alguna.
        
        150 años sin creerle que esto era así : (
        
        En el siglo XIX Lord Kelvin y Rudolf Clausius
        
        Expusieron teorías que indicaban la existencia del cero absoluto.
        
        Lord Kelvin propuso una escala de temperaturas absolutas que dependía en forma logarítmica.
  - - - Se ha formulado que a baja presiones, nos queda:
        
        Donde A= T/k
        
        donde
        
        Nos quedará:
        
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  - - - Ley de Avogadro : Gases ideales tienen igual numero de moléculas si poseen igual volumen, para una misma presión y temperatura.
    - - donde
        
        donde
        
        Según Avogadro el primer miembro de la ecuación tiene una determinada magnitud para valores de presión y temperatura, que es independiente del tipo de sustancia.
        
        Esto es así ya que si el volumen molar, es el volumen de un mol, por definición, cualquier gas debe tener igual numero de moléculas.
        
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        Esta es la llamada Constante universal de los gases
        
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        Nos queda
        
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  - - - Por ende, utilizaremos el termómetro de gas a volumen cte
        
        Es posible mantener constante el volumen de una cierta cantidad de gas.
        
        Se logra mediante la variación de la altura de una columna de mercurio.
        
        Para medir temperaturas con este termómetro se establece una relación funcional entre:
        
        El valor de la
        temperatura.
        
        Variable termométrica
        
        Esta variable es la presión del gas
        
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        El mismo tiene la capacidad de medir de forma operativa la temperatura con un solo punto fijo.
- - - - A esta función se le llamará entropía.
        
        Se pueden deducir 2 propiedades de la función entropía.
        
        1_ Para calcularlo se realizará un proceso cuasi estático.
        
        2_ Sera una magnitud extensiva.
        
        Se reemplaza I (U;V) por I (T;V)
        
        L función en si , no cambio, sino las variables que se usan para describirla.
        
        Como U = f(T, V) podemos reemplazar U y escribir I = f1(f2(T, V), V) donde nos queda I(T;V)
        
        El valor de S que jurga dependerá de T y V
        
        Salvo una constante de integración.
        
        significa que, para poder darle un número a S (y no solo a Delta S), tenemos que elegir arbitrariamente un estado de referencia (por ejemplo, T_0 y p_0) y asignarle un valor (como s_0 = 0). Esa elección es la que fija el valor de la "constante de integración" C
        
        Es decir, se toma un valor de referencia arbitrario para determinar esa cte.
        
        Entonces, para un proceso adiabático reversible:
        
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    - - ds = (du +pdv) / T
      - ds = (dh - vdp) / T
      - Calculo de la variación de entropía
        
        ds = dq rev / T
        
        ds = dwdis / T
      - Para gases perfectos
        
        ΔS = f ( t ; p )
        
        ΔS = f ( t ; v )
        
        ΔS = f ( p ; v )
      - Para sólidos y líquidos
  - - - Reversible
      - Irreversible
    - - Isobárica
- - - - Def... propiedades...
    - - Def... trasformaciones...transferencias... condiciones...
  - - - Def.
    - - Def.
    - - S/ sist. y medio
        
        Aislado
        
        Cerrado
        
        Abierto
      - S/parámetros
        
        Homogéneo
        
        Heterogéneo
      - S/constancia de la masa
        
        Abierto a régimen estacionario o permanente
        
        ...posición...
        
        ...constante...
        
        Abierto a régimen no permanente
        
        ...variable...
      - S/componentes
        
        Un solo componente o sustancia pura
        
        Mezcla homogénea
        
        Mezcla heterogénea
  - - - Estado del sistema
    - - Asignan valores
      - Puede utilizar o no instrumentos
      - Equilibrio termodinámico
        
        Mecánico
        
        Térmico
        
        Químico
    - - Sistema de coordenadas
      - Estado de un sistema
      - Grado de libertad del sistema
      - Cambio de estado
    - - Def...relación...
      - Teorema de Schwarz
    - - Extensivos
      - Intensivos
      - Variable Específica
- - - - Entregando calor
        
        Las propiedades del sistema no sirven por si mismas para diferenciar el calor del trabajo porque estas formas de energía producen a veces iguales efectos.
      - Entregando trabajo de disipación
- - - - Esto, constituye un termómetro aunque no se sepa el valor de la temperatura, si se lo puede mantener constante.
        
        A cada movimiento del pistón, se debía dejar transcurrir un tiempo para que se produzca el equilibrio térmico entre el gas y el sistema.
      - Las experiencias fueron realizadas por Boyle y también por Mariotte que descubrieron que el producto p*v era constante si se mantenía constante la temperatura del sistema
        
        esto se puede expresar como:
        
        Con un valor distinto de ¨A¨
        para cada temperatura.
        
        Si bien esto se cumple con el aire y en el rango de sus experiencias, no se cumple con los demás gases.
        
        Lo que si se cumple es que, cuando la presión disminuye, el producto pv varía de una manera proporcional a la presión.
- - - - Todas las experiencias se han realizado sin variar la masa del gas del termómetro. También las transformaciones se han realizado a temperatura constante y que esta es independiente de la masa, presión y volumen del gas que se encuentra en el termómetro.
        
        Lo anterior indica que se ha encontrado una variable (p . v) que tiene un único valor para cada temperatura.
        
        Siempre tendrá valores positivos (+) ya que la presión y el volumen no pueden ser negativos.
        
        Esto permite establecer una función que relaciona la temperatura con los fenómenos observados.
        
        Esta expresión podría ser cualquier función, pero se elige la relación lineal, porque facilita la construcción de la nueva escala de temperatura.
        
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