(Parte 3 de 10)

3.1 NOMENCLATURA DE MAGNITUDES INTENSIVAS Y EXTENSIVAS

Las magnitudes extensivas, p.ej. V, E, U ó A (área), se expresan con mayúsculas. La masa y el número de moles se denominan m y N 5.

Las magnitudes intensivas específicas, p.ej. v (volumen específico º V/m), r (densidad ” m/V) ó u (energía interna específica ” U/m), se expresan en minúsculas. Las magnitudes intensivas puras, presión y temperatura (P y T), en mayúsculas.

Las magnitudes intensivas molares, p.ej. v (volumen molar ” V/N), r (densidad molar ” N/V) ó u

3.2 VOLUMEN, VOLUMEN ESPECÍFICO Y DENSIDAD Estas propiedades se pueden definir de la siguiente manera:

Volumen (V) es el espacio que ocupa una sustancia; se mide en metros cúbicos (m3).

5 Emplearemos N mayúscula para referirnos al número de moles para evitar una colisión de notación con el llamado exponente politrópico n de procesos en gases (Tema 4).

Dimensiones y unidades1.1

Volumen específico (v) es el espacio que ocupa la unidad de masa de una sustancia; se mide en metros cúbicos por kilogramo (m3/kg).

De las definiciones se deducen las siguientes relaciones:

3.3 PRESIÓN

La presión se define como la fuerza por unidad de superficie ejercida por un fluido sobre una superficie real o imaginaria, en dirección normal a la superficie. En unidades SI la presión se mide en newton por metro cuadrado (N/m2), unidad denominada Pascal (Pa).

En relación con la presión atmosférica, que es una referencia habitual, el N/m2 resulta una unidad demasiado pequeña, por lo que se suele utilizar el bar, donde

1 bar = 105 N/m2 = 0,1 MPa = 100 kPa 1 atm = 101 325 N/m2 = 1,01325 bar = 101,325 kPa

En el caso de un gas, la presión es el resultado de los impactos de las moléculas del gas contra la pared. Como las moléculas se mueven en todas las direcciones, la presión es la misma con independencia de la orientación de la pared donde se mide: la presión es una magnitud escalar.

L Gas

Figura 1.4 - Manómetro para la medida de presiones. La medida se basa en que los puntos 1 y 2 están a la misma presión: Pgas = P1 = P2 = Patm + rgL.

Para gases formados por mezcla de varias sustancias, se habla de presión parcial como la contribución de cada gas a la presión total de la mezcla. Puede considerarse que la presión parcial de un gas es el resultado de las colisiones de las moléculas de ese gas contra la pared del recipiente.

1.12 Tema 1 - Introducción. Conceptos y Definiciones

En el caso de líquidos, la presión se debe a la fuerza de la gravedad (peso) del líquido: se denomina presión hidrostática. Atendiendo a la Figura 1.4, la presión en el punto 2 será la presión atmosféri- ca P0 más la fuerza ejercida por el peso de la columna de líquido, por unidad de área:

gLPA

VgPA mgPA

El término rgL es el valor de la presión hidrostática del líquido.

Conviene distinguir entre presión absoluta y presión manométrica. En la Figura 1.4 se representa un manómetro para la medida de presiones. La medida de la presión se basa en la igualdad de pre- sión para puntos situados a la misma altura (P1 = P2, vasos comunicantes). La presión manométrica del gas es rgL, siendo r la densidad del líquido del manómetro, g la aceleración de la gravedad y L la altura manométrica. L puede ser negativo, luego la presión manométrica puede ser negativa. La presión absoluta del gas es la manométrica más la atmosférica:6

Hay medidores de presión cuya medida es la presión manométrica, y otros miden la presión absoluta. La presión atmosférica se denomina también presión barométrica.

La temperatura es una propiedad esencial en Termodinámica. Su determinación cuantitativa (medida) se realiza con instrumentos llamados termómetros. La Ley Cero de la Termodinámica postula que es posible medir la temperatura, es decir, que la temperatura es una propiedad.

4.1 EQUILIBRIO TÉRMICO

La temperatura T es aquella propiedad que determina la capacidad de un sistema para intercambiar calor. Su unidad es el kelvin (K).

Suponemos dos subsistemas A y B cerrados de paredes adiabáticas, definidos respectivamente por

rompe el equilibrio existente y cada sistema varía su estado hasta alcanzar estados de un nuevo equilibrio, que llamaremos de equilibrio térmico. Los nuevos valores de las variables de estado que definen dicho equilibrio ya no son, como antes, independientes, sino que están ligados por una relación

Temperatura y la Ley Cero1.13 llamada ecuación del equilibrio térmico.

4.2 LEY CERO

Consideramos ahora tres subsistemas A, B y C, separados dos de ellos, A y B, por una pared adiabática, y C separado de A y B por paredes diatérmicas. Se observa experimentalmente que si, en virtud del equilibrio térmico, A-C y B-C están en equilibrio térmico, también lo están A-B, a pesar de no estar separados por una pared diatérmica, lo cual podría comprobarse permutando el tipo de pared entre A-B-C (ver Figura 1.6). Esto equivale a decir que la propiedad "equilibrio térmico" es transitiva, es decir:

Si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico cada uno de ellos con un tercero C, los sistemas A y B están en equilibrio térmico entre sí. Esto constituye el llamado Principio Cero de la Termodinámica, por el cual la existencia del equilibrio térmico entre dos sistemas puede verificarse a través de un sistema intermedio llamado termómetro, sin necesidad de que los dos sistemas estén necesariamente en contacto a través de una pared diatérmica.

4.3 TEMPERATURA EMPÍRICA

Temperatura empírica es aquella propiedad cuyo valor es el mismo para todos los sistemas que están en equilibrio térmico entre sí.

es decir, el equilibrio térmico entre A y B puede establecerse a través del equilibrio térmico con un sistema intermediario C llamado termómetro.

xC = fA(xA, yA, yC) = fB(xB, yB, yC)[1.15] Si, para más simplicidad, tomamos como fija la variable yC del sistema termométrico, quedará

La existencia de equilibrio térmico entre dos sistemas (A, B) viene medida por una propiedad común (xC) del sistema termométrico que llamaremos variable termométrica; su valor está indisolublemente ligado a las propiedades físicas del sistema medidor (variable empírica).

xAx1

Figura 1.7 – Líneas de temperatura empírica constante (isotermas).

Se puede establecer una relación simple arbitraria (de tipo lineal, cuadrático, logarítmico, etc.) entre la variable termométrica x y una nueva variable llamada temperatura empírica t del tipo

t = ax + bo bien t = ax[1.17]

1. que sea continua, sin discontinuidades ni puntos angulosos; 2. que sea biunívoca, que a cada valor de x corresponda uno sólo de t y viceversa;

3. que sea monótona (ordinariamente de derivada positiva) para que sean del mismo signo el crecimiento de t y de x.

Temperatura y la Ley Cero1.15 para un sistema dado, ecuación de estado térmica del sistema, cuya forma depende de la escala de temperatura considerada. No debe pues extrañar que el valor de t sea diferente, para un mismo valor de x e y del sistema, según cuál sea el sistema termométrico utilizado, es decir, el valor de t es empírico.

Los sistemas más usados como termómetros son:

· los de líquido cuya propiedad fija es la presión, y variable el volumen o mejor la longitud del fluido en el tubo (al ser la sección calibrada);

• los de gas que toman como propiedad fija bien la presión o bien el volumen.

Identificar los conceptos mencionados anteriormente para un termómetro de capilar de mercurio, calibrado para la escala Celsius, empleado para medir la temperatura de un gas ideal.

Solución

(Parte 3 de 10)

Comentários