Capítulo 2: Conceptos Básicos

Sistemas
Propiedades
Ecuación de Estado
Gas Perfecto
Temperatura
Calor
Trabajo y Energía

 

SISTEMAS, PROPIEDADES DE SISTEMAS, ECUACION DE ESTADO
(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:

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: 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.

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: 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