Termodinámica aplicada (catalán)

1.- PRIMER PRINCIPI DE LA TERMODINÀMICA I CONCEPTES BÀSICS
- Experiments de Joule (1840-1878)
Energia interna (U): Energia de les molècules que formen una substància. Aquestes estan en constant moviment i tenen energia cinètica de translació. Excepte pel cas de molècules monoatòmiques, també tenen energia cinètica de rotació i de vibració interna.
Primer principi de la TermodinàmicaL’addició de calor a una substància augmenta la seva activitat molecular, incrementant l’energia interna; el treball efectuat sobre una substància té el mateix efecte. Per tant, el primer principi es formula com:
∆U=Q+W (J) (1.1)
El criteri de signes és aquí el de la IUPAC (calor i treball positius si entren al sistema i negatius si surten). Alguns llibres de Termodinàmica utilitzen el criterioposat pel treball i U=Q-W.
En realitat és una aplicació del balanç d’energia, plantejat com:



Δ energia del sistema + Δ energia dels voltants = 0; Δ energia del sistema = Q + W;
ΔU + ΔEk + ΔEp = Q + W
Les propietats del costat esquerra de l’equació només depenen de l’estat inicial i el final. Pel contrari, els termes de la dreta depenen del procés (camí recorregut).
Si el sistemaés tancat i en repòs (no hi ha variació d’energia cinètica o potencial):
Δ energia del sistema = ΔU i ΔU = Q + W
El primer principi s’escriu, per canvis diferencials, com:
dU = dQ + dW
Estat termodinàmic i funcions d’estat
Les magnituds termodinàmiques que no depenen del camí recorregut s’anomenen funcions d’estat. Per exemple, el nitrogen gas a una determinada temperatura i pressióté unes propietats definides (densitat, viscositat, conductivitat tèrmica,...). Si aquest gas es comprimeix, o s’escalfa i després es torna a les condicions inicials, tindrà exactament les mateixes propietats (independentment del camí recorregut per tornar-hi). Aquestes quantitats són, dons, funcions d’estat. Per un compost pur, si es fixen dues d’aquestes funcions d’estat està fixat l’estattermodinàmic de la substància. Es veurà més endavant quantes cal fixar per sistemes més complexes.
L’energia interna i altres funcions que es definiran son funcions d’estat i, per tant, són propietats del sistema. Les funcions d’estat es poden expressar matemàticament com a funcions de coordenades termodinàmiques com la pressió i la temperatura. La variació diferencial de les funcions d’estat correspona un canvi infinitesimal en la propietat i la seva integració a una diferència finita entre dos valors de la propietat. Per exemple:
∫_P"1" ^P"2" ▒〖dP=P"2" 〗-P"1"=∆P ∫_U"1" ^U"2" ▒〖dU=U"2" 〗-U"1"=∆U
D’altra banda, la calor i el treball no són funcions d’estat, ja que depenen del camí. Els diferencials de calor i treball no es consideren canvis sinó quantitats infinitesimals i la sevaintegració dona una quantitat finita.
Les propietats que depenen de la quantitat de matèria del sistema, com per exemple l’energia interna o el volum s’anomenen extensives. Pel contrari, les propietats que són independents de la quantitat de matèria, com la temperatura o la pressió, s’anomenen intensives.
Entalpia (H): L’entalpia es defineix explícitament mitjançant l’expressió:
H = U + PV (J) (1.2)Com que l’energia interna, la pressió i el volum són funcions d’estat, l’entalpia també ho és.
És una propietat extensiva. Quan s’utilitza per unitat de massa (específica) o per mol, és una propietat intensiva.
Equilibri
En Termodinàmica, denota una condició estàtica (absència de canvi) i també l’absència d’una tendència al canvi a escala macroscòpica. Un sistema en equilibri es potdescriure com un en el que les seves forces estan balancejades. Les forces impulsores de canvis són diverses: les forces mecàniques com la pressió tendeixen a transferir energia en forma de treball, les diferències de temperatura tendeixen a transferir energia en forma de calor, els potencials químics tendeixen a fer que les substàncies reaccionin químicament o es transfereixin d’una fase a una...