Conceptos básicos de termodinámica

Termodinámica de Materiales – Dra. Stella Ordoñez H.- Dr. Linton Carvajal O.

CAPÍTULO I

CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA 1.1 CONCEPTOS Y DEFINICIONES

Termodinámica: Rama de la mecánica teórica que estudia la transformación del movimiento en calor y viceversa. No sólo se preocupa de la velocidad de difusión del calor, como una interpretación simple del termino podría sugerir,sino que también, a través de ecuaciones cuánticamente descriptivas, de los cambios físicos o químicos producidos cuando una sustancia absorbe calor e, inversamente, la evolución de calor cuando ocurren cambios físicos o químicos.

Sistema (Termodinámico): región restringida, no necesariamente de volumen constante o fija en el espacio, en donde se puede estudiar la transferencia y transmisión demasa y energía. Todo sistema tiene límites que pueden ser reales o imaginarios. Sistema aislado: No permite intercambio de materia ni energía (s. aislado adiabáticamente: no permite intercambio de calor) Sistema cerrado: No permite intercambio de materia, pero sí de energía. Sistema abierto: Permite intercambio de materia y energía. Sistema químico: Las interacciones sólo se deben a presiones, esdecir, se excluye la precedencia de campos, o la posibilidad de efectuar trabajo eléctrico, magnético, de superficie, etc.

Tipos de límites de los sistemas: Adiabáticos: no pueden ser atravesados por el calor. Diatérmicos: permiten la transferencia de calor. Rígidos: no permiten el cambio de volumen. Permeables: permiten el paso de cualquier sustancia. Semipermeables: permiten el paso dedeterminadas sustancias. Fase: cantidad de materia homogénea en composición química y estructura física. Puede estar compuesta de una sustancia pura o varios componentes. Sistema homogéneo: contiene una fase. Sistema heterogéneo: consta de dos o más fases.

Universidad de Santiago de Chile – Departamento de Ingeniería Metalúrgica

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Termodinámica de Materiales – Dra. Stella Ordoñez H.- Dr.Linton Carvajal O.

CAPÍTULO I

Variables Termodinámicas: O coordenadas del sistema, son aquellas que definen estado (conjunto de propiedades que caracterizan al sistema). Existen dos tipos: a) Variables físicas: Las fundamentales son Presión (P), Volumen (V) y Temperatura (T); P y T son variables intensivas (independientes del tamaño del sistema) y V es extensiva (depende del tamaño del sistema).b) Variables Químicas: Usualmente se utilizan los números de moles de cada componente. En rigor, a la termodinámica le interesan más los potenciales químicos. 1.2 EQUILIBRIO El concepto de equilibrio estable es de fundamental importancia. Podemos definir distintos tipos de equilibrio. El equilibrio mecánico es la condición que se alcanza cuando todas las partículas están en reposo y la energíapotencial total del sistema es mínima. Una buena analogía es la de la caja de fósforos. Cuando ésta se apoya sobre una de sus caras mayores (Figura 1.1a) está en equilibrio mecánico estable. Cuando se balancea sobre uno de sus cantos está en equilibrio inestable (Figura 1.1b). Nótese que cuando la caja se apoya sobre una de sus caras más estrechas (Figura 1.1c), la caja no está en equilibrio mecánicoestable ya que puede reducir su energía potencial pasando a la posición a. La posición c corresponde a equilibrio mecánico metaestable.

(a)

(b)

(c)

Figura 1.1: Equilibrio mecánico. (a) Estable, (b) inestable y (c) metaestable

El equilibrio térmico es la condición que resulta de la ausencia de gradientes de temperatura en el sistema. El equilibrio químico es que ocurre cuando ya nose produce reacción química entre las sustancias reactantes, por ejemplo las velocidades de reacción directa e inversa son iguales. Finalmente el equilibrio termodinámico ocurre cuando el sistema se encuentra en equilibrio mecánico, térmico y químico. Las propiedades del sistema - presión, temperatura, volumen y concentración - no cambian con el tiempo. Termodinámicamente se dice que un sistema...