Capítulo 2: Conceptos Básicos
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SISTEMAS, PROPIEDADES DE SISTEMAS, ECUACION DE ESTADO
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(Actualizado al 2 de Marzo del 2000)
INTRODUCCIÓN:
En los próximos párrafos daremos algunas nociones básicas
sobre sistemas, propiedades de sistemas y ecuación
de estado. Una discusión más extensa la pueden encontrar
en el libro de Reynolds: Termodinámica.
Como también en Zemansky: Calor y Termodinámica.
SISTEMAS:
Para poder estudiar los fenómenos y máquinas que se analizarán
a lo largo del curso, usaremos los conceptos de sistemas
y modelación de sistemas.
En el concepto de sistema uno modela la realidad dividiéndola
entre aquello que forma parte del sistema y lo que está fuera
de él (exterior del sistema). Luego se estudia la interacción
entre el sistema y su entorno. Es una herramienta poderosa y simple para
modelar la realidad.
Los sistemas los clasificaremos en:
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Sistemas Abiertos: son los sistemas
más comúnes. Este tipo de sistema tiene intercambio de materia
y energía con el exterior. Un ejemplo: automóvil (entra
combustible, aceite, aire. Salen gases de escape, desechos, se produce
energía).
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Sistemas Cerrados: En este sistema
solo
hay intercambio energético con el exterior. No hay intercambio
de masa. A su vez se pueden dividir en:
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Sistemas No Aislados: Solo intercambio
energético con el exterior. Ejemplo: el equipo de frío de
un refrigerador doméstico. El fluido de trabajo circula en circuito
cerrado y solo hay intercambios de calor o energía eléctrica
con el exterior. Otro sistema que (en la práctica) se puede considerar
como sistema cerrado no aislado es la Tierra.
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Sistemas Aislados: No hay intercambio
ni de masa ni de energía con el exterior. En la práctica
estos sistemas son una abstracción cómoda para analizar situaciones.
Los sistemas reales los modelaremos para su estudio. Esto
implica definir las propiedades y variables de estado relevantes y estudiar
su interrelación. Esto lo profundizaremos en los próximos
párrafos.
PROPIEDADES DE SISTEMAS:
Los sistemas se caracterizan por tener una serie de propiedades.
Estas se clasifican en:
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Propiedades Extensivas: Son aquellas propiedades que
dependen de la masa total del sistema. Por ejemplo, la masa
es una propiedad extensiva, como también lo es la cantidad total
de energía cinética que tiene, o el momento de
inercia. etc.
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Propiedades Intensivas: Son aquellas que varían
de punto a punto del sistema o bien no dependen de la masa total. Por ejemplo,
la temperatura es una propiedad intensiva. También podría
serlo el voltaje.
Algunas de estas propiedades son variables y otras no lo son.
ESTADO Y ECUACION DE ESTADO:
El estado de un sistema queda definido por el conjunto de valores
que adquieren aquellas propiedades de sistema que pueden variar. Por ejemplo,
el estado de un automóvil queda definido (entre otras variables)
por su posición geográfica, velocidad (y dirección),
aceleración, potencia que está desarrollando el motor, cantidad
de combustible en el estanque, masa total (incluyendo ocupantes y carga),
marcha (cambio) que está desarrollando, etc., etc.
Para un sistema complejo como el anterior, existirá una gran
cantidad de variables de estado. Por otro lado sistemas simples
tendrán mucho menos variables de estado.
La relación funcional que liga las variables de estado
se llama ecuación de estado.
Es decir: E = f(x1, x2, x3......xn)
Esta relación puede ser explícita o implícita y
expresable en forma matemática o no.
Un principio fundamental de la termodinámica establece que para
sistemas simples y puros, solo pueden haber 2 variables de estado
independientes. Cualquier otra variable de estado será dependiente.
Aclaremos lo que entendemos por sustancias simples y puras.
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Se dice que una sustancia es simple cuando
toda ella está en la misma fase (sólida, líquida o
gaseosa) y además es homogénea en cuanto a constitución
física.
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Una sustancia es pura si toda ella está
constituida por la misma especie de materia.
Por ejemplo el aire es simple pero no es puro. En efecto, el aire
es una mezcla de diversos gases (aproximadamente 78% N2,
21% O2, 0,9% Ar, 0,03% CO2 y trazas de otros
gases, además de vapor de agua). Una mezcla de agua y hielo
es pura, pero no simple, pues si bien está toda constituida
por la especie H2O, esta está presente en dos fases.
Si bien existen muchas ecuaciones que pueden describir el comportamiento
de sustancias reales, a lo largo del curso trabajaremos con la ecuación
de estado de gases perfectos y con diagramas y Tablas para otras sustancias
reales.
ECUACIÓN DE ESTADO DE GASES PERFECTOS:
En las partes más avanzadas del curso usaremos las propiedades reales
de diferentes sustancias. Pero para efectos de esta etapa, trabajaremos
a menudo con la ecuación de estado de gases perfectos. Las
hipótesis básicas para modelar el comportamiento de un gas
perfecto son:
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El gas está compuesto por una cantidad muy grande
de moléculas. Estas tienen energía cinética.
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No existe fuerzas de atracción entre moléculas.
Esto implica que están relativamente distantes unas de otras.
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Los choques entre moléculas, así como las de
las moléculas con las paredes del recipiente que las contiene son
perfectamente elásticos.
De las hipótesis recién señaladas, la básica
es que no hay fuerzas de atracción entre moléculas. Se trata
por lo tanto de una sustancia simple y pura. La forma normal de
la ecuación de estado de un gas perfecto es:
p·v = R·T con R = 8,314 [J/(mol·K)]
Usaremos el sistema internacional de unidades, SI.
Las unidades de presión, p, son los Pascal: Pa = 1 [N/m2].
En el caso de arriba, el volumen específico, v, queda expresado
en [m3/mol] y la temperatura en Kelvin, [ºK].
La misma ecuación la podemos expresar en forma alternativa como:
p·V = n·R·T con
n =
número
de moles en sistema
En este caso, V es el volumen total del sistema, en [m3].
También podemos escribir la ecuación de estado de un gas
perfecto para un gas en particular como:
p·v = R'·T con R' = Cte. del gas
= R/m [J/(kg·K)]
En este caso m es la masa molecular del gas y v el volumen específico
en [m3/kg].
Por ejemplo, en el caso del aire, m= 0,029 [kg/mol] lo que significa
que R' = 8,314/0,029 = 287 [J/(kg·K)].
La misma ecuación puede ser escrita como:
p·V = m·R'·T con m= masa
total del gas = [kg] y V = volumen en [m3]
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Versión Original: Julio 1998