Sistema Termodinámico- Paulo Cortez PDF

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respuesta para que es un sistema termodinamico y algunas funciones mas del tema...

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CAPITULO 2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES Termodinámica 1

Facultad de Ingeniería Mecánica- UMNSH Paulo Cortez Cervantes- Sección 101 1ª

CAPITULO 2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES

SISTEMA TERMODINÁMICO Un sistema termodinámico o sustancia de trabajo es una parte del universo que se escoge para ser estudiada por la termodinámica. Se trata de una definición muy amplia, porque un sistema termodinámico puede ser vasto como una galaxia o tratarse de una pequeña cantidad de gas contenido en un cilindro. Todo aquello que rodea al sistema termodinámico, incluyendo masa y espacio, es el entorno o ambiente del mismo. No se trata del resto del universo, sino únicamente del entorno capaz de afectar al sistema. Esquema de un sistema termodinámico

En un sistema termodinámico es posible el intercambio de masa o energía entre el sistema y los alrededores, dependiendo de la clase de sistema, siendo el entorno donde se ubican los observadores que lo estudian. En el análisis de un sistema termodinámico es importante establecer las fronteras (límites o paredes), los cuales pueden ser fijos o móviles. Un frasco de vidrio o de metal tiene paredes fijas, pero un émbolo o pistón las tiene móviles. Como tal, la frontera puede ser una superficie real o imaginaria, pero idealmente tiene espesor nulo, cierta rigidez y otras características que se describen en forma matemática. Las fronteras imaginarias son necesarias al estudiar sistemas que a su vez forman parte de sistemas mucho mayores, como una estrella en una nebulosa. Los intercambios de calor entre el sistema y su entorno, si los hay, son los objetivos primordiales de la termodinámica. Por eso se le da un nombre especial a las paredes que permiten el intercambio: adiabáticas, mientras que aquellas que no lo permiten y aíslan al sistema son diatérmicas. PROPIEDADES DE UN SISTEMA Las propiedades termodinámicas pueden clasificarse en intensivas y extensivas. Son intensivas las que no dependen de la cantidad de materia del sistema (presión, temperatura, composición). Las extensivas dependen del tamaño del sistema (masa, volumen). Paulo Cortez Cervantes 101 1ª FIM

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Variables termodinámicas Las variables termodinámicas son las magnitudes que estimamos necesario o conveniente especificar para dar una descripción macroscópica del sistema. La mayoría de esas magnitudes provienen de otras ramas de la física. Una variable termodinámica es una magnitud física macroscópica que caracteriza el estado de un sistema en equilibrio. Entonces, por un determinado número de variables de estado se puede definir el estado de un sistema termodinámica en equilibrio. En general, los sistemas fuera del equilibrio no pueden ser representados por un número finito de grados de libertad, y su descripción es mucho más compleja. El valor de una función de estado sólo depende del estado termodinámico actual en que se encuentre el sistema, sin importar cómo llegó a él. Esto significa que si, en un instante dado, tenemos dos sistemas termodinámicos en equilibrio con n grados de libertad y medimos un mismo valor de n funciones de estado independientes, cualquier otra función de estado tendrá el mismo valor en ambos sistemas, con independencia del valor de las variables termodinámicas en instantes anteriores. Propiedades termodinámicas intensivas Las propiedades intensivas son dependientes de la masa, son propias del sistema. 

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Densidad: la densidad es la razón que existe entre la masa que está ocupando un volumen total o, dicho de otra forma, la masa por unidad de volumen. Volumen específico: el volumen específico es la relación que existe entre el volumen total que ocupa una masa. También se puede definir como el volumen por unidad de masa. Peso específico. El peso específico se define como la relación existente entre el peso del cuerpo y el volumen total que ocupa. Presión. La presión es la fuerza que ejerce un cuerpo por unidad de área. Temperatura. La temperatura es el estado térmico de una sustancia que se considera para transmitir calor. La temperatura se puede expresar en diferentes escalas: grados Celsius, grados Fahrenheit, kelvin o Rankine.

Propiedades termodinámicas extensivas Las propiedades extensivas no dependen de la masa, sino que dependen del tamaño del sistema.

 Calor El calor en termodinámica se considera como la energía que fluye al entrar en contacto 2 sustancias que se encuentran a diferente temperatura. El calor siempre fluye del cuerpo caliente al cuerpo frío. Por convención el calor que sale de un Paulo Cortez Cervantes 101 1ª FIM

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sistema tiene signo negativo; mientras que el calor que ingresa a un sistema tiene signo positivo.

 La temperatura Es una propiedad intensiva, mientras que el calor es una propiedad extensiva. El calor, a su vez no es una función de estado debido a que depende del camino recorrido. Las unidades para expresar el calor son las unidades de energía, las más habituales son el julio (J), y la caloría (cal).

 Trabajo El trabajo en termodinámica siempre representa un intercambio de energía entre un sistema y su entorno. Por convención el trabajo que realiza el entorno sobre el sistema tiene signo positivo; mientras que si el sistema el que realiza trabajo sobre el entorno tiene signo negativo. El trabajo no es función de estado, depende del camino recorrido. Las unidades para expresar un trabajo son las propias de la energía, las más habituales son el julio (J), y la caloría (cal). DENSIDAD Y DENSIDAD RELATIVA La densidad se define como la masa por unidad de volumen

El recíproco de la densidad es el volumen específico v, que se define como el volumen por unidad de masa.

Es decir, para un elemento de volumen diferencial de masa δm y volumen δV, la densidad se puede expresar como

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En general, la densidad de una sustancia depende de la temperatura y la presión. La densidad de la mayor parte de los gases es proporcional a la presión e inversamente proporcional a la temperatura. Por otro lado, los líquidos y sólidos son en esencia sustancias no compresibles y la variación de su densidad con la presión es por lo regular insignificante.

SISTEMAS TERMODINÁMICOS En termodinámica, un sistema es casi cualquier cosa. Se trata de una región del espacio dentro de la cual existen diferentes componentes que interactúan entre sí, intercambiando energía y en ocasiones masa. Un sistema posee una frontera que lo delimita. Esa frontera puede ser material (las paredes de un recipiente, por ejemplo) o imaginarias (una sección transversal de un tubo de escape abierto, por ejemplo).

La zona del espacio que rodea al sistema y con la cuál éste interactúa mediante intercambios energéticos o materiales se denomina el ambiente o el entorno. El ambiente es la región desde la cual los observadores (que normalmente no forman parte del sistema) hacen las medidas acerca de éste e infieren sus propiedades. A diferencia del sistema, que evoluciona por su interacción con el ambiente, se suele considerar que el ambiente no se ve modificado por esta interacción. Un baño de agua en el que sumerge un cubito de hielo se supone a temperatura constante pese a la fusión del hielo. Si el ambiente estuviera evolucionando como consecuencia de la interacción, lo incluiríamos dentro del sistema y tomaríamos como ambiente una región más externa. Al conjunto del sistema y el entorno se le denomina el universo. Obsérvese que en termodinámica el universo no es todo el Universo. El cubito de hielo inmerso en una olla con agua es considerado el universo en el estudio de la fusión del hielo. La frontera de un sistema puede ser:  Fija (las paredes de un recipiente) o móvil (un émbolo o pistón de un motor de explosión).

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Permeable a la masa o impermeable a ella. En el primer caso se dice que tenemos un sistema abierto (p.ej. un motor en el que entra combustible por un lado y salen gases por otro) y en el segundo uno cerrado (p.ej. en el circuito de refrigeración de una nevera, el gas freón que circula por los tubos nunca sale al exterior).  Permeable al calor o impermeable a él. Si al poner en contacto el sistema con el ambiente se produce una transferencia de energía debido a la diferencia de temperaturas, se dice que la frontera es diaterma. Si el calor no puede atravesar la frontera se dice que ésta es adiabática De un sistema cerrado y rodeado por paredes adiabáticas fijas (en el que por tanto no puede entrar ni salir ni masa ni energía), se dice que está aislado. En un sistema cerrado se suele estudiar lo que se denomina una masa de control , cuya evolución se sigue en el tiempo, aunque ocupe una región variable del espacio. El ejemplo arquetípico es el de un cilindro lleno de gas en el que existe un pistón móvil. El pistón puede comprimir o expandir el gas, cuyo volumen por tanto cambia. La masa de gas contenida en el cilindro, en cambio, permanece constante.

En un sistema abierto se estudia lo que se denomina un volumen de control, usualmente fijo. Se trata de una región del espacio en el interior de la cual está el sistema termodinámico de interés y cuyas paredes pueden ser atravesadas por masa que entra o sale. La frontera del volumen de control podrá tener partes materiales y partes puramente geométricas. Un ejemplo lo tenemos en un calentador de agua doméstico en el cual entra agua fría por un lado del calentador (atravesando una frontera geométrica) fluye por el interior de aparato (con paredes sólidas) y sale, calentada, por el otro extremo (otra frontera inmaterial). En sistemas abiertos son de especial interés los estados de régimen estacionario, en los cuales el fluido entra por un lado y sale por otro lo hace siempre al mismo ritmo, de manera que una “foto” del sistema produce en todo momento la misma “imagen”. Los sistemas en régimen estacionario son más sencillos de estudiar ya que tienen bastantes similitudes con los sistemas cerrados.

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