Termodinamica

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESIME TICOMAN

Raúl García Sánchez

3sm1

TERMODINAMICA 1

UNIDAD I

TEMA:

CONCEPTOS BASICOS

1.1 SISTEMAS DE UNIDADES, SISTEMAS TERMODINÁMICOS Y PROPIEDADES DE UN SISTEMA

SISTEMAS DE UNIDADES

Los sistemas de unidades son conjuntos de unidades convenientemente relacionadas entre sí que se utilizan para medir diversas magnitudes (longitud, peso, volumen, etc.). Universalmente se conocen tres sistemas de unidades: mks o sistema internacional, cgs y Técnico. Las unidades correspondientes a las magnitudes (longitud, tiempo y masa) expresadas en cada uno de estos sistemas, se presentan a continuación.

Sistema internacional cgs Técnico

Longitud m cm m

Tiempo s s s

masa kg g utm

Unidades de longitud

Las unidades de longitud permiten medir el largo, ancho y alto de diferentes objetos, es decir, medidas en una sola dimensión. En el sistema internacional, la unidad de las medidas de longitud es el metro, representado por la letra m. Los submúltiplos del metro se obtienen anteponiendo a la palabra metro los prefijos: deci, centi y mili, que significan décima, centésima y milésima parte. Sirven para medir longitudes menores que el metro. Los múltiplos se forman anteponiendo los prefijos: kilo, hecto y deca, que significan mil, cien y diez respectivamente. Se utilizan para longitudes mayores que el metro. Ejemplos: 1 m es igual a 1000 mm, 1 cm es igual a 0,01 m (ver Tabla 1).

km hm dam m dm cm mm

kilómetro hectómetro decámetro metro decímetro centímetro milímetro

1 0 0 0

0, 0 1

0, 9 7 5

975 0 0

Tabla 1: Múltiplos y submúltiplos del metro.

Obsérvese que las medidas de longitud aumentan y disminuyen de 10 en 10. Por lo tanto, para expresar una cantidad en una unidad de orden inferior (o submúltiplo) se debe dividir por el múltiplo de 10 correspondiente, sin embargo, si se quiere expresar en una unidad de orden superior se lo debe multiplicar por el múltiplo de 10 correspondiente, ejemplo, para expresar el número 975 m en km, se debe dividir 975 por 1000 (ver Tabla 1), sin embargo si se quiere expresar en cm se tiene que multiplicar 975 por 100 (ver Tabla 1).

Otros submúltiplos que son usados para medidas de longitud muy pequeñas son:

Micrometro (µ) = 10-6 m Nano (η) = 10-9 m.

Angstron (Ǻ) = 10-10 m.

Pico (p) = 10-12 m.

Fento (f) = 10-15 m.

Unidades de masa

En el sistema cgs, la unidad fundamental es el gramo, que se simboliza con la letra g. Sus múltiplos y submúltiplos se presentan en la siguiente tabla. El tratamiento de los datos es equivalente al utilizado para las unidades de longitud.

kg hg dag g dg cg mg

kilogramo hectogramo decagramo gramo decigramo centigramo miligramo

Otra unidad muy utilizada en química es el microgramo (µg), 1 µg =10-6 g.

Unidades de superficie

La unidad convencional de superficie es el metro cuadrado (m2). Un metro cuadrado es la superficie de un cuadrado que tiene 1 m x 1m. Al igual que para el resto de las unidades estudiadas, existen múltiplos y submúltiplos del m2. Ejemplos: 1 m2 es igual a (103mm)2, 1 cm2 es igual a (10-2 m)2 (ver Tabla 2).

km2 hm2 dam2 m2 dm2 cm2 mm2

1 00 00 00

0, 00 01

0, 00 09 75

975 00 00

Tabla 2: Múltiplos y submúltiplos del metro cuadrado.

Obsérvese que las medidas de superficie aumentan y disminuyen de 100 en 100. Por lo tanto, para expresar una cantidad en una unidad de orden inferior (o submúltiplo) se debe dividir por el múltiplo de 100 correspondiente, sin embargo, si se quiere expresar en una unidad de orden superior se lo debe multiplicar por el múltiplo de 100 correspondiente, ejemplo, para expresar el número 975 m2 en km2, se debe dividir 975 por 106 (ver Tabla 2), sin embargo si se quiere expresar en cm2 se tiene que multiplicar 975 por 104 (ver Tabla 2).

Unidades de volumen

La unidad convencional de volumen es el metro cúbico (m3). Un metro cúbico es el volumen de un cubo que tiene 1 m x 1m x 1 m. Al igual que para el resto de las unidades estudiadas, existen múltiplos y submúltiplos del m3. Ejemplos: 1 m3 es igual a (103 mm)3, 1 cm3 es igual a (10-2 m)3 (ver Tabla 3).

km3 hm3 dam3 m3 dm3 cm3 mm3

1 000 000 000

0, 000 001

0, 000 000 975

975 000 000

Tabla 3: Múltiplos y submúltiplos del metro cúbico.

Obsérvese que las medidas de volumen aumentan y disminuyen de 1000 en 1000. Por lo tanto, para expresar una cantidad en una unidad de orden inferior (o submúltiplo) se debe dividir por el múltiplo de 1000 correspondiente, sin embargo, si se quiere expresar en una unidad de orden superior se lo debe multiplicar por el múltiplo de 1000 correspondiente, ejemplo, para expresar el número 975 m3 en km3, se debe dividir 975 por 109 (ver Tabla 3), sin embargo si se quiere expresar en cm3 se tiene que multiplicar 975 por 106 (ver Tabla 3).

Otras unidades de volumen usadas habitualmente son aquellas que utilizan como unidad de volumen el litro, cuyo símbolo es l. Al igual que para las unidades de longitud, existen múltiplos y submúltiplos, para obtenerlos se usa el mismo tratamiento. Algunas de las equivalencias para tener en cuenta: 1cm3 = 1 ml; 1dm3 = 1 l, de esta manera, 1000cm3 = 1000 ml = 1l.

kl hl dal l dl Cl ml

kilolitro hectolitro decalitro litro decilitro centilitro mililitro

Ejercicios

1) Completar el siguiente cuadro

m km cm µm Ǻ nm

3,6 x10-16

7,5 x10-3

2

1300

2) El litio es un elemento cuyo volumen es 9,85 Ǻ3, si se supone que es esférico.

Expresar este volumen en cm3, mm3, ml, m3 y calcular su radio atómico.

3) Completar el siguiente cuadro

m2 cm2 µm2 Ǻ2 nm2

5 x10-26

650

9

2,2 x106

RESPUESTAS

1)

m km cm µm Ǻ nm

3,6 x10-13 3,6 x10-16 3,6 x10-11 3,6 x10-7 3,6 x10-3 3,6 x10-4

7,5 x10-5 7,5 x10-8 7,5 x10-3 75 7,5 x105 7,5 x104

2 x10-10 2 x10-13 2 x10-8 2 x10-4 2 0,2

1,3 x10-3 1,3 x10-6 0,13 1300 1,3 x107 1,3 x106

2) 9,85 x10-24 cm3, 9,85 x10-21 mm3, 9,85 x10-24 ml, 9,85 x10-30 m3. El radio atómico es 1,33 Ǻ.

3)

m2 cm2 µm2 Ǻ2 nm2

5 x10-26 5 x10-22 5 x10-14 5 x10-6 5 x10-8

6,5 x10-10 6,5 x10-6 650 6,5 x1010 6,5 x108

9 x10-20 9 x10-16 9 x10-8 9 0,09

2,2 x10-6 0,022 2,2 x106 2,2 x1014 2,2 x1012

En termodinámica, un sistema es casi cualquier cosa. Se trata de una región del espacio dentro de la cual existen diferentes componentes que interactúan entre sí, intercambiando energía y en ocasiones masa.

Un sistema posee una frontera que lo delimita. Esa frontera puede ser material (las paredes de un recipiente, por ejemplo) o imaginarias (una sección transversal de un tubo de escape abierto, por ejemplo).

La zona del espacio que rodea al sistema y con la cuál éste interactúa mediante intercambios energéticos o materiales se denomina el ambiente o el entorno. El ambiente es la región desde la cual los observadores (que normalmente no forman parte del sistema) hacen las medidas acerca de éste e infieren sus propiedades. A diferencia del sistema, que evoluciona por su interacción con el ambiente, se suele considerar que el ambiente no se ve modificado por esta interacción. Un baño de agua en el que sumerge un cubito de hielo se supone a temperatura constante pese a la fusión del hielo. Si el ambiente estuviera evolucionando como consecuencia de la interacción, lo incluiríamos dentro del sistema y tomaríamos como ambiente una región más externa.

Al conjunto del sistema y el entorno se le denomina el universo. Obsérvese que en termodinámica el universo no es todo el Universo. El cubito de hielo inmerso en una olla con agua es considerado el universo en el estudio de la fusión del hielo.

La frontera de un sistema puede ser:

• Fija (las paredes de un recipiente) o móvil (un émbolo o pistón de un motor de explosión).

• Permeable a la masa o impermeable a ella. En el primer caso se dice que tenemos un sistema abierto(p.ej. un motor en el que entra combustible por un lado y salen gases por otro) y en el segundo uno cerrado(p.ej. en el circuito de refrigeración de una nevera, el gas freón que circula por los tubos nunca sale al exterior).

• Permeable al calor o impermeable a él. Si al poner en contacto el sistema con el ambiente se produce una transferencia de energía debido a la diferencia de temperaturas, se dice que la frontera es diaterma. Si el calor no puede atravesar la frontera se dice que ésta es adiabática

De un sistema cerrado y rodeado por paredes adiabáticas fijas (en el que por tanto no puede entrar ni salir ni masa ni energía), se dice que está aislado.

En un sistema cerrado se

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