lunes, 21 de septiembre de 2009

TEMA 1 INTRODUCCION A LA TERMODINAMICA

Tema 1
Introducción a la termodinámica
Introducción
La termodinámica es una rama fundamental de la Química, que se centra en el estudio macroscópico de la naturaleza en equilibrio, sin embargo resulta en la mayoría de los casos muy poco popular entre los estudiantes. Esto puede ser debido a que el estudio termodinámico de un proceso quimicofísico se suele abordar mediante un planteamiento matemático muy riguroso, donde la derivación de todas las ecuaciones tiene un peso importante con lo que el estudiante pierde la visión macroscópica del fenómeno estudiado. La idea de esta página y de su contenido es acercar al estudiante a los procesos en sí, y mediante ejemplos sencillos facilitarle el aprendizaje de la materia. No se ha tratado de escribir unos apuntes que sustituyan a los muchos y buenos textos de Termodinámica Química existentes, sino de complementarlos, y hacerlo de forma esquemática. Ciertamente, se requerirán unos conocimientos matemáticos básicos, pero la termodinámica es una ciencia macroscópica y nosotros, no hay que olvidarlo, hablaremos de propiedades medibles.
Definiciones
Antes de entrar en el estudio termodinámico de procesos sencillos es necesario establecer una serie de conceptos y la nomenclatura para el mejor entendimiento de la asignatura.En primer lugar tendremos que delimitar de forma precisa la parte del Universo objeto de nuestro estudio, distinguiéndose entre:
Sistema: parte del Universo objeto de estudio.
Alrededores: porción del Universo que no se va a estudiar, pero que puede interaccionar con el sistema.
Pared: separación real o imaginaria entre el sistema y los alrededores.
El tipo de pared determina qué tipo de interacción se puede producir entre el sistema y los alrededores. Así las paredes pueden ser:
Móvil o rígida, lo que permitirá o no un cambio de volumen del sistema,
Permeable, impermeable o semipermeable, lo que permitirá o no el intercambio de materia entre el sistema y los alrededores.
Adiabática o Diatérmica, que permite o impide, respectivamente, mantener una diferencia de temperatura entre el sistema y los alrededores.
Así, los sistemas termodinámicos que podemos estudiar, se pueden clasificar en:
Cerrados: son aquellos que pueden intercambiar energía, aunque no materia, con los alrededores.
Abiertos: aquellos que pueden intercambiar materia y energía.
Aislados: que no pueden intercambiar ni materia ni energía.

Para describir un sistema termodinámico debemos conocer los valores de una serie de propiedades observables macroscópicamente, llamadas variables, propiedades o funciones termodinámicas, por ejemplo, presión (P), temperatura (T), densidad (ρ), volumen (V), etc. No todas las variables termodinámicas son independientes, ya que una vez definidas algunas de ellas las otras pueden obtenerse en función de estas, mediante una ecuación de estado.Las variables termodinámicas pueden clasificarse en:
Extensivas: que dependen de la cantidad de materia, ej. el volumen.
Intensivas: que son independientes de la cantidad de materia, ej. P, T, densidad.
Así surge otra clasificación para un sistema termodinámico, los sistemas pueden ser a su vez:
Homogéneos: las propiedades termodinámicas tiene los mismos valores en todos los puntos del sistema. El sistema está constituido por una sola fase.
Heterogéneos: las propiedades termodinámicas no son las mismas en todos los puntos del sistema. El sistema está constituidos por varias fases, separadas entre sí por una "frontera" llamada interfase.
Cuando el sistema se presenta en fase gaseosa, el sistema es homogéneo, con independencia de el número de compuestos químicos que lo constituyan (ej. el aire). Una sustancia pura, sólo puede presentar una fase líquida, sin embargo pude exhibir varias fases sólidas (ej. carbono como diamante, grafito o fureleno). En el caso sistemas compuestos por más de una sustancia química, la situación es más compleja, ya que los líquidos podrán ser o no miscibles totalmente en determinadas circunstancias de presión y temperatura, dando por tanto lugar a la distinción de una o de varias fases. Y lo mismo se puede decir de los sólidos, en general una aleación constituirá una fase, pero la mezcla de sólidos estará formada por tantas fases como sólidos estén presentes.

El estado de un sistema queda definido cuando todas las variables termodinámicas tienen valores fijos. Por lo tanto, las variables termodinámicas son funciones de estado y mientras su valor no cambie el estado del sistema tampoco, ahora bien cuando una variable cambia el estado del sistema también cambia. El cambio sufrido por el sistema debido a un proceso termodinámico queda definido sólo cuando se indica;
El estado inicial del sistema.
El estado final del sistema.
La trayectoria o camino seguido en el proceso.
Muy importante es indicar que las variables termodinámicas solo están definidas cuando el sistema está en equilibrio termodinámico. ¿Qué significa equilibrio termodinámico? significa que se den simultáneamente tres situaciones:
Equilibrio térmico (que la temperatura no cambie).
Equilibrio químico (que su composición no cambie).
Equilibrio mecánico (que no se produzcan movimientos en el sistema).
En función de cómo se realice el cambio de estado se habla de:
Proceso reversible: los cambios en las funciones de estado son infinitesimales. El sistema está prácticamente en equilibrio durante todo el proceso, lo que implica un tiempo, para su realización, infinito. Se conoce el valor de las propiedades termodinámicas en cada punto de la trayectoria.
Proceso irreversible: el sistema sólo está en equilibrio en el estado inicial y en el final. No se puede conocer el valor de las funciones de estado en los puntos intermedios de la trayectoria.
Algunos nombres para procesos específicos en los que el sistema cambia de estado son:
Proceso isotérmico: la T permanece constante.
Proceso isobárico: la P permanece constante.
Proceso isocórico: el V permanece constante.
Ecuación de estado
Es la ecuación matemática que liga las funciones termodinámicas y que por tanto permite definir el sistema termodinámico. Hay que determinarla experimentalmente. Como ejemplo:
para sólidos o líquidos a temperatura ambiente, resulta ser del tipo ; V = aT + bT2 + cT3+ ... + jP + kP2 + mP3 + ...
para un gas ideal, es PV=nRT
Temperatura
La Temperatura es una propiedad de estado intensiva relacionada con la energía del sistema debida al movimiento desordenado de las moléculas que lo constituyen. Su cambio supone el cambio repetitivo y predecible en otras propiedades del sistema, lo que permite asignarle un valor numérico.
Principio Cero de la Termodinámica
Si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, lo están entre si.

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