Fundamentos de Termodinámica: Sistemas, Calor y Trabajo

UT 6: Termodinámica y Calor

1. Sistemas termodinámicos

Es una parte del universo que se relaciona con su entorno mediante intercambios de materia y/o energía a través de sus paredes.

• Sistema: Parte del universo que se aísla para poder estudiarla con más facilidad.
• Entorno: Lo que queda fuera del sistema.
• Paredes: Lo que separa el entorno del sistema.

2. Tipos de sistemas

• Abiertos: Pueden intercambiar materia y energía con el entorno.
• Cerrados: No pueden intercambiar materia, pero sí energía.
• Adiabáticos: No pueden intercambiar materia ni energía en forma de calor, pero sí en forma de trabajo (presión).
• Aislados: No pueden intercambiar ni energía ni materia.

3. Intercambios de energía en forma de calor

La temperatura de un cuerpo es proporcional a la velocidad cuadrática media de las partículas que lo forman.

4. Dos sistemas en contacto

• Paredes adiabáticas: Ambos permanecen en su estado inicial y consideraremos que están aislados.
• Paredes diatérmicas: Se advertirá una transferencia energética del cuerpo caliente al frío.

5. Calor

Energía transferida de un sistema a otro a causa de una diferencia de temperatura entre ambos.

6. Inercia térmica de los cuerpos

Equivalencias:

• 1 cal = 4.18 J
• 1 J = 0.84 cal
• 1 J = 1 W·s
• 1 atm·L = 101.3 J
• 1 atm = 101325 Pa
• R = 0.082 (atm·L)/(K·mol)
• R = 1.987 cal/(mol·K)
• R = 8.314 J/(mol·K)

7. Calor específico

Es la cantidad de calor necesaria para producir en la unidad de masa de una sustancia una variación térmica de un grado.

Fórmula: Q_transferido = Ce · m · (T_f - T_i)

• Q_transferido: (J/(mol·K), J/(mol·ºC), cal/(mol·K), cal/(mol·ºC))
• Ce: (J o cal)
• m: (g, mol, kg)
• ΔT: (K o ºC)

7.1. Calor latente de fusión (cambio de estado a líquido)

Q_transferido = m · L_f (L_f en cal/g)

7.2. Calor latente de vaporización (cambio de estado a gas)

Q_transferido = m · L_v (L_v en cal/g)

8. Estudio termodinámico de los sistemas gaseosos

• Boyle-Mariotte: Un sistema gaseoso a baja presión en el que las moléculas prácticamente no reaccionan entre sí. pV = KT.
• Ecuación de estado o Clapeyron: pV = nRT.
• Fórmula que relaciona las 3 variables: Ln(P₂/P₁) = -ΔH_v/R · (1/T₂ - 1/T₁).

9. Tipos de equilibrios

• Mecánico: La presión es igual en todos los puntos del sistema.
• Químico: La composición del sistema no varía con el tiempo.
• Térmico: La temperatura es igual.
• Equilibrio termodinámico: Cuando se dan los tres equilibrios en un mismo sistema.

10. Intercambios de energía en forma de trabajo

Se puede transferir energía desde un sistema que tiene una temperatura a otro de menor temperatura en forma de calor o bien realizando un trabajo.

W = -p · (V_f - V_i) (W en J, p en atm, V en L → 1 atm·L = 101.3 J).

11. Equivalencia entre trabajo y calor

Si la energía es transferida al sistema es +Q y +W; si es emitida por el sistema es -Q y -W. El calor y el trabajo son magnitudes semejantes; son dos formas de transmitirse la energía entre los sistemas.

12. Primer principio de la termodinámica

ΔU = (U_f - U_i) = Q + W (ΔU, Q, W en Julios).

13. Isoprocesos termodinámicos

• Isobárica: V₁/V₂ = T₁/T₂
• Isocórica: P₁/P₂ = T₁/T₂
• Isotérmica o isoterma: P₁·V₁ = P₂·V₂

14. Transformación isobárica (presión constante)

ΔU = Q_p + W = n·C_p(T_f - T_i) - p(V_f - V_i)

15. Transformación isocórica (volumen constante)

ΔU = Q_v = n·C_v(T_f - T_i). (ΔV = 0 y W = 0).

16. Transformación isotérmica o isoterma (temperatura constante)

W = -nRT · Ln(V_f/V_i)