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Introducción a la Termodinámica
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Introducción a la Termodinámica
Cristóbal Fernández Pineda y Santiago Velasco Maíllo
© Cristóbal Fernández Pineda y Santiago Velasco Maíllo
© EDITORIAL SÍNTESIS, S. A.
Vallehermoso, 34. 28015 Madrid
Teléfono: 91 593 20 98
http://www.sintesis.com
Depósito legal: M. 47.845-2009
ISBN: 978-84-975666-4-3
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o cualquier otro, sin la autorización previa por escrito
de Editorial Síntesis, S. A.
Índice
Prólogo
1.
2.
9
Conceptos básicos
1.1. Sistemas termodinámicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Interacciones termodinámicas . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Estados de equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4. Variables termodinámicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5. Cambios de estado y procesos . . . . . . . . . . . . . . . . .
C1.1. Descripciones macroscópica y microscópica de un gas diluido
C1.2. Medios continuos. Densidad y presión . . . . . . . . . . . .
C1.3. Sistemas de unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
E1.1. Medida de la presión atmosférica sin barómetro . . . . . . .
E1.2. Una variante del método anterior . . . . . . . . . . . . . . .
L1.
Lecturas adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
P1.
Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Temperatura
2.1. Equilibrio térmico. Principio Cero . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Temperatura empı́rica. Isotermas . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Escalas de temperatura. Termómetros . . . . . . . . . . . .
2.4. Escala de temperaturas del gas ideal . . . . . . . . . . . . .
2.5. Ecuación empı́rica de estado. Coeficientes termomecánicos
2.6. Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.1.
Gas ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2.
Gases reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C2.1. La escala Celsius no es centı́grada . . . . . . . . . . . . . .
C2.2. Algunos tipos de termómetros . . . . . . . . . . . . . . . .
C2.2.1. Termómetros de lı́quidos . . . . . . . . . . . . . .
C2.2.2. Termómetros de resistencia . . . . . . . . . . . . .
5
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6
I NTRODUCCI ÓN A LA T ERMODIN ÁMICA
C2.3.
C2.4.
C2.5.
E2.1.
E2.2.
L2.
P2.
3.
C2.2.3. Termopares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C2.2.4. Otros tipos de termómetros . . . . . . . . . . . .
La escala internacional de temperaturas de 1990 (EIT-90)
Otras ecuaciones empı́ricas de estado para gases reales . .
Mezcla ideal de gases ideales . . . . . . . . . . . . . . .
Calibrado de una termorresistencia de platino . . . . . . .
Calibrado de un termistor NTC . . . . . . . . . . . . . .
Lecturas adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Primer Principio
3.1. Trabajo de configuración y trabajo disipativo . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Trabajo de configuración en algunos procesos reversibles de un sistema
hidrostático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. Cálculo del trabajo en algunos procesos irreversibles de sistemas
hidrostáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Trabajo adiabático. Primer Principio. Energı́a interna . . . . . . . . . . . .
3.5. Calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Ecuación energética de estado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7. Capacidades calorı́ficas de un sistema hidrostático . . . . . . . . . . . . .
3.8. Focos térmico y mecánico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C3.1. Trabajo de configuración reversible en algunos sistemas simples . . . . . .
C3.2. Generalización del Primer Principio para sistemas en movimiento en
campos externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C3.3. Coeficientes calorimétricos de un sistema hidrostático . . . . . . . . . . .
C3.4. Capacidad calorı́fica en el estado inicial de un proceso reversible elemental
arbitrario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C3.5. Capacidad calorı́fica de un gas ideal en un estado de un proceso
politrópico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C3.6. Calores especı́ficos de sólidos y lı́quidos . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C3.7. Mecanismos básicos de transmisión del calor . . . . . . . . . . . . . . . .
C3.7.1. Conducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C3.7.2. Convección. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C3.7.3. Radiación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
E3.1. Método para la medida del coeficiente adiabático, γ , del aire . . . . . . . .
E3.2. Método para la medida del calor especı́fico cP del aire . . . . . . . . . . .
L3.
Lecturas adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
P3.
Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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121
Í NDICE
4.
5.
6.
Segundo Principio (I)
4.1. Introducción. Máquinas térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius del Segundo Principio.
Equivalencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3. Definiciones de los procesos reversibles e irreversibles . . . . . . . . .
4.4. Ciclo y teorema de Carnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5. Temperatura termodinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C4.1. Equivalencia entre la escala del gas ideal y la escala termodinámica de
temperaturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C4.2. Motor endorreversible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
E4.1. Máquina de Savery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
L4.
Lecturas adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
P4.
Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Segundo Principio (II)
5.1. Demostración por inducción del teorema de Clausius . . . . . .
5.2. Entropı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3. Principio de aumento de entropı́a . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Cálculo de cambios de entropı́a . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5. Ecuación trabajo-entropı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6. Ecuación diferencial fundamental . . . . . . . . . . . . . . . .
5.7. Ideas fundamentales que contiene el Segundo Principio . . . .
C5.1. Cambio de la entropı́a de un gas ideal en un proceso politrópico
C5.2. Ecuaciones prácticas de la Termodinámica . . . . . . . . . . .
C5.3. Calentamiento y compresión por etapas de un gas perfecto . . .
C5.4. Entropı́a de una mezcla de gases ideales inertes . . . . . . . . .
C5.5. Potenciales termodinámicos. Relaciones de Maxwell . . . . .
C5.6. Sistemas de composición variable. Potencial quı́mico . . . . .
C5.7. Condiciones de equilibrio térmico, mecánico y material . . . .
E5.1. Cambio de entropı́a en la carga de un condensador . . . . . . .
L5.
Lecturas adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
P5.
Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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191
192
Transiciones de fase
6.1. Superficies PVT de una sustancia pura . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2. Ecuación de Clapeyron-Clausius para los cambios de fase de primer orden
6.3. Equilibrio lı́quido-vapor. Ecuación de Clausius-Clapeyron . . . . . . . . .
6.4. Equilibrios sólido-lı́quido y sólido-vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C6.1. La ecuación de Clausius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C6.2. El Tercer Principio de la Termodinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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8
I NTRODUCCI ÓN A LA T ERMODIN ÁMICA
E6.1. Curva de presión de vapor del agua por debajo de la presión atmosférica . . . . . 215
L6.
Lecturas adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
P6.
Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Bibliografı́a
221
Índice de autores
225
Índice de materias
228