Ejercicios

FISICA II 2009

TEMA II

JUAN J CORACE

UNIDAD II: EQUILIBRIO TERMODINÁMICO
El equilibrio termodinámico. Diagramas PV y PT para una sustancia pura. Superficie PVT.
Gases ideales. Leyes de los Gases Ecuaciones de estado. Coeficientes térmicos: de
dilatación volumétrica y compresibilidad isotérmica. Gases Reales. Ecuación de Van der
Waals. Factor de compresibilidad
A menudo los sistemasmacroscópicos presentan cierta `memoria' sobre su historia reciente;
pero al cabo de cierto tiempo, el sistema decae a un estado simple (homogéneo, sin
turbulencias, etc.) absolutamente estacionario. A estos estados nos referimos cuando
hablamos de equilibrio termodinámico.
Postulado I: existen estados llamados de equilibrio que pueden caracterizarse
completamente a nivel macroscópico por U, X, ni; donde Urepresenta la energía del
sistema, X alguna variable (P, v, T, etc.) y ni la composición.
Este postulado puede parecer elemental, pero encierra una tautología que hace a la esencia
de esta ciencia: la termodinámica es la ciencia que se ocupa de describir sistemas en
equilibrio, al tiempo que un sistema se encuentra en equilibrio si es descrito correctamente
por la termodinámica.
En esta unidad,las relaciones entre presión, volumen específico y temperatura se
presentarán para una sustancia pura. Una sustancia pura es homogénea. Puede existir en
más de una fase, pero cada fase debe tener la misma composición química. El agua es una
sustancia pura. Las diversas combinaciones de sus tres fases tienen la misma composición
química. El aire, en su fase gaseosa, es una sustancia pura, pero elaire líquido tiene diferente
composición química. El aire no es una sustancia pura si existe en más de una fase. Además,
aquí sólo se considera una sustancia simple compresible (es decir, una sustancia que está
esencialmente libre de efectos de tensión magnética, eléctrica o superficial).
Concepto básico: Durante el cambio de fase de líquido a vapor, la temperatura permanece
constante cuando seagrega calor a presión constante.
LA SUPERFICIE P-V-T
Una sustancia pura

puede existir en tres fases diferentes: sólida, líquida y gaseosa. Si

consideramos el caso en el que un sólido (hielo) está contenido en una máquina con un
pistón y un cilindro, de modo tal que la presión se mantiene a un valor constante. Se agrega
calor al cilindro, de tal manera que la sustancia experimente las tres fases.Nuestro
experimento se muestra en varias etapas en la figura 2.1:

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Figura 2.1. Fases sólida, líquida y de vapor de una sustancia.

Si registramos la temperatura y volumen específico durante el experimento, y comenzamos
con el sólido a cierta temperatura baja, por ejemplo el punto A de la figura 2.2; si a
continuación agregamos calor hasta que apenasempieza a derretirse en el punto B; y luego
más calor derretirá por completo el sólido, conservando constante la temperatura hasta
alcanzar el punto C. Una vez que todo el sólido se haya derretido, la temperatura del líquido
sube otra vez hasta que empieza a formarse calor en el punto D, que es el estado líquido
saturado. De nuevo, durante el cambio de fase de líquido a vapor, llamado vaporización,la
temperatura permanece constante cuando se agrega calor. Por último, todo el líquido se
vaporiza y existe entonces el estado de vapor saturado en el punto E, después de lo cual la
temperatura sube otra vez si se agrega calor. Cada volumen específico del sólido y líquido es
mucho menor que el volumen específico del vapor. La escala está exagerada en esta figura
para que las diferencias seanaparentes.

FIGURA 2.2 Diagrama T-v

Si el experimento se repite varias veces y se utilizan diferentes presiones, resulta un diagrama
T-v, como se ve en la figura 2.2.b. A presiones que excedan la presión del punto crítico, el
líquido simplemente cambia a vapor sin un proceso de vaporización a temperatura constante
Los datos obtenidos en un experimento real podrían presentarse como superficie...