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  1. CONCEPTOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA Los sistemas físicos que encontramos en la Naturaleza consisten en un agregado de un número muy grande de átomos. La materia está en uno de los tres estados: sólido, líquido o gas: En los sólidos, las posiciones relativas (distancia y orientación) de los átomos o moléculas son fijas. En los líquidos, las distancias entre las moléculas son fijas, pero su orientación relativa cambia continuamente. En los gases, las distancias entre moléculas, son en general, mucho más grandes que las dimensiones de las mismas. Las fuerzas entre las moléculas son muy débiles y se manifiestan principalmente en el momento en el que chocan. Por esta razón, los gases son más fáciles de describir que los sólidos y que los líquidos. El gas contenido en un recipiente, está formado por un número muy grande de moléculas, 6.02·10 23  moléculas en un mol de sustancia. Cuando se intenta describir un sistema con un número tan grande de partículas resulta inútil (e imposible) describir el movimiento individual de cada componente. Por lo que mediremos magnitudes que se refieren al conjunto: volumen ocupado por una masa de gas, presión que ejerce el gas sobre las paredes del recipiente y su temperatura. Estas cantidades físicas se denominan macroscópicas, en el sentido de que no se refieren al movimiento individual de cada partícula, sino del sistema en su conjunto. Conceptos básicos Denominamos estado de equilibrio  de un sistema cuando las variables macroscópicas presión  p , volumen V  , y temperatura T  , no cambian. El estado de equilibrio es dinámico en el sentido de que los constituyentes del sistema se mueven continuamente. El estado del sistema se representa por un punto en un diagrama p-V. Podemos llevar al sistema desde un estado inicial a otro final a través de una sucesión de estados de equilibrio.  Se denomina ecuación de estado  a la relación que existe entre las variables  p , V  , y T  . La ecuación de estado más sencilla es la de un gas ideal  pV=nRT  , donde n  representa el número de moles, y  R  la constante de los gases  R =0.082 atm·l/(K mol)=8.3143 J/(K mol). Se denomina energía interna  del sistema a la suma de las energías de todas sus partículas. En un gas ideal las moléculas solamente tienen energía cinética, los choques entre las moléculas se suponen perfectamente elásticos, la energía interna solamente depende de la temperatura. 1.1 TERMODINÁMICA Y ENERGÍA La palabra termodinámica proviene de los términos griegos thermo (energía o temperatura) y dynamikos (movimiento), actualmente es la ciencia que estudia las interacciones que hay entre la energía en forma de calor y la energía que produce un trabajo. El estudio de esta ciencia permite determinar algunas propiedades de los sistemas a partir de sus estados, la interacción que tienen dichos sistemas con los alrededores y sus efectos sobre procesos de carácter ingenieril. Este entendimiento permite diseños más eficientes de sistemas térmicos que incluyen plantas generadoras de energía alimentadas con vapor, turbinas de gas, cohetes, máquinas de combustión interna, plantas de refrigeración y unidades de aire acondicionado. [1] Para realizar cualquier análisis termodinámico es necesaria la comprensión total de dichas interacciones, cuyo objetivo primordial es predecir la manera en que un sistema responde a tales interacciones o, a la inversa, predecir las interacciones que son necesarias a fin de inducir ciertos cambios en el sistema. [1] La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía. La energía se puede considerar como la capacidad para causar cambios. [2] Una de las más importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el principio de conservación de la energía. Éste expresa que, durante una interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra, pero su cantidad total permanece constante. Es decir, la energía no se crea ni se destruye. [2] La primera ley de la termodinámica es una expresión del principio de conservación de la energía, y sostiene que la energía es una propiedad termodinámica. La segunda ley de la termodinámica  afirma que la energía tiene calidad así como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energía. 1.2 IMPORTANCIA DE LAS DIMENSIONES Y UNIDADES Cualquier cantidad física se caracteriza mediante dimensiones. Las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Algunas dimensiones básicas, como masa m, longitud L, tiempo t y temperatura T se seleccionan como dimensiones primarias o fundamentales, mientras que otras como la velocidad V, energía E y volumen v se expresan en términos de las dimensiones  primarias y se llaman dimensiones secundarias o dimensiones derivadas. Con el paso de los años se han creado varios sistemas de unidades. A pesar de los grandes esfuerzos que la comunidad científica y los ingenieros han hecho para unificar el mundo con un solo sistema de unidades, en la actualidad aún son de uso común dos de estos: el sistema inglés, que se conoce como United States Customary System (USCS) y el SI métrico (de Le Systéme international d´ Unités), también llamado sistema internacional. El SI es un sistema simple y lógico basado en una relación decimal entre las distintas unidades, y se usa para trabajo científico y de ingeniería en la mayor parte de las naciones industrializadas, incluso en Inglaterra. Sin embargo, el sistema ingles no tiene base numérica sistemática evidente y varias unidades de este se relacionan entre sí de manera bastante arbitraria (12 pulgadas = 1 pie, 1 milla = 5280 pies, 4 cuartos = 1 galón), lo cual hace que el aprendizaje sea confuso y difícil. Estados unidos es el único país industrializado que aún no adopta por completo el sistema métrico. 1.3 SISTEMA CERRADOS Y ABIERTOS Un sistema termodinámico (también denominado sustancia de trabajo) se define como la parte del universo objeto de estudio. Un sistema termodinámico puede ser una célula, una persona, el vapor de una máquina de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un motor térmico, la atmósfera terrestre, etc. El sistema termodinámico puede estar separado del resto del universo (denominado alrededores del sistema) por paredes reales o imaginarias. En este último caso, el sistema objeto de estudio sería, por ejemplo, una parte de un sistema más grande. Las paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes (llamadas paredes adiabáticas) o permitir el flujo de calor (diatérmicas). Los sistemas termodinámicos pueden ser aislados, cerrados o abiertos. Sistema aislado: es aquél que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores.  Sistema cerrado: es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante). Sistema abierto: es aquél que intercambia energía y materia con los alrededores. En la siguiente figura se han representado los distintos tipos de sistemas termodinámicos. A lo largo de estas páginas trataremos los sistemas cerrados. Cuando un sistema está aislado y se le deja evolucionar un tiempo suficiente, se observa que las variables termodinámicas que describen su estado no varían. La temperatura en todos los  puntos del sistema es la misma, así como la presión. En esta situación se dice que el sistema está en equilibrio termodinámico. 1.4 PROPIEDADES DE UN SISTEMA A una característica de un sistema se le llama propiedad. Ej: presión, temperatura, volumen, masa, etc. Las propiedades de un sistema se diferencian en dos grupos: 1) Propiedades Intensivas Son aquellas que no dependen de la masa del sistema, como son, temperatura, presión y densidad. Es decir, si pudiéramos aislar muchas partes del sistema y  pudiéramos medir estas propiedades en dichas partes tendríamos siempre la misma medida. Por ejemplo, si estamos midiendo densidad no importa si tomamos un poco de masa o mucha porque de todas formas va a ser la misma densidad en ambos casos ya que esta no depende de la cantidad de masa a la cual midamos densidad sino de la cantidad que exista de ella en cierta cantidad de volumen, la cual permanece siempre constante. 2) Propiedades extensivas Son aquellas que dependen de la masa o extensión del sistema como son la misma masa y el volumen. Si medimos la propiedad masa de un sistema tendremos que si medimos cierta cantidad de masa tendremos cierta medida, pero si duplicamos la cantidad de masa tendremos también el doble en la medición, es decir, la medida de la masa depende de la cantidad, propiedad extensiva. Densidad Masa por unidad de volumen. Se simboliza con la letra del alfabeto griego ro minúscula. ρ  = m / V = masa / Volumen (kg/m³, lbm/ft³)
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