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Termodinámica Clásica
Conceptos fundamentales
Física Estadística Maestría en Ciencias (Física) IFUAP Lilia Meza Montes Primavera 2016
Historia Mecánica Clásica (1833)
Electromagnetismo (1873)
Mecánica Cuántica (1926)
Ecuaciones de (Lagrange) Hamilton + transformaciones canónicas q,p Trayectoria de la partícula Medios continuos (muchas partículas) Potencial
Ecuaciones de Maxwell + relaciones constitutivas+condiciones Campos que experimenta la partícula Macróscopico
Ecuación de Schroedinger + condiciones a la frontera/iniciales Estados cuánticos (energía, función de onda) Probabilidad de obtener valor de variables Estados de muchas partículas Potencial
Problema fundamental
¡ Cómo describir un sistema formado un numero grande de partículas?
¡ N~1023 en un cm3
¡ Metodología particular, no solo partículas (radiación)
¡ Aplicable no solo a fluidos, sólidos
Enfoques: Equilibrio
¡ Sistemas en equilibrio las cantidades termodinámicas no cambian en el tiempo ¡ Macroscópico >1micra à
Termodinámica ¡ Microscópico: 10Å, dimensiones
atómicas à Mecánica estadística
Enfoque: fuera de equilibrio
¡ Termodinámica irreversible (o Mecánica estadística de procesos irreversibles)
¡ Teoría cinética: considera en detalle interacciones entre partículas
Historia
¡ Bernoulli (1738), Herapath (1821), Joule (1851): teoría cinética de gases
¡ Clausius(1857) ¡ Maxwell (1860) ¡ Boltzmann (1868-1871) ¡ Gibbs (1902) ¡ Planck (1900), Einstein, Bose,
Fermi-Dirac
Historia: Estructura Atómica
¡ John Dalton (1803-1810): - Cada elemento químico se compone de átomos de
un tipo único - No puede ser alterado o destruido por medios
químicos - Se combinan para formar sustancias ¡ Avogrado (1811) Dos gases con igual V, P, T
contienen el mismo número de moléculas.
Generalidades
¡ Estudio de las propiedades de la materia cuando son afectadas por un cambio de temperatura, sin considerar la composición microscópica de la materia.
¡ Fenomenológica (basada en experimentos). Estadística (postulados-microscópico)
¡ Leyes generales (postulados): relacionan propiedades de cantidades limitadas de materia.
¡ Diversos sistemas ¡ Microscópico: mecánica estadística
Ejemplo: nanoalambres de InAs
380 C Wurzita
480 C Blenda de zinc
410 C Wurzita/ZB
5 nm 100 nm 100 nm 50 nm
Definiciones
¡ Sistema termodinámico: porción del universo físico bajo estudio.
¡ Alrededores: Parte del universo cercano que interactúa con sistema (intercambio de energía)
Energia
FRONTERA
Determinados por el Observador
Frontera: determina interacción con alrededores
¡ Paredes aislantes: no interacción (excepto gravitacional, ignorada)
sistema aislado ¡ Paredes adiabáticas: no permiten
interacción mediante efectos no mecánicos (impiden intercambio térmico)
sistema térmicamente aislado ¡ Paredes diatérmicas: no adiabáticas. sistema en contacto térmico
Modelo Físico
¡ Definimos cantidades que pueden ser medidas
(posición, presión, magnetización,etc. en nuestro caso: variables o
coordenadas termodinámicas X, Y) + ¡ Relaciones entre ellas à podemos predecir comportamiento
EQUILIBRIO TERMODINAMICO
¡ LOS VALORES NUMERICOS ASIGNADOS A LAS VARIABLES TERMODINÁMICAS NO VARÍAN CON EL TIEMPO
ejemplo: sistema aislado siempre oJo: pseudoequilibrio (equilibrio local) Estado tiene que ser reproducible En este curso: sistemas en equilibrio + teoría cinética
¡ Dado un sistema, conocido un subconjunto de variables termodinámicas
experimentalmente se encuentra que las restantes están determinadas.
Estado termodinámico: condición del
sistema en la que se han asignado valores numéricos para los grados de libertad
Independientes entre sí: Grados de libertad Establecidos por experimento
Ejemplos
Sistema Algunas variables (X,Y) Fluidos y sólidos Volumen,Presión Sustancia Paramagnética Magnetización, campo
magnético Cable Dieléctrico
Longitud, tensión Polarización, campo eléctrico
Espacio de estados
¡ Espacio abstracto: coordenadas son las variables
X
Y
(X,Y) Un punto=un estado Proceso: cambio de
estado Proceso Cuasiestático: sucesión de estados de equilibrio (trayectoria) c/punto= un estado Proceso Irreversible
o no cuasiestático: sin trayectoria
Proceso Ciclico: puntos coinciden
Variables intensivas y extensivas
¡ Intensiva: independiente del tamaño o masa del sistema. No son aditivas
¡ Extensivas: sí dependen del tamaño (volumen, etc.), aditivas.
Cantidades específicas: no dependen del tamaño del sistema
Ejemplos
Sistema Intensiva Extensiva Fluidos y sólidos Presión Volumen Sustancia Paramagnética
Intensidad de campo magnético
Magnetización
Cable
Tensión
Longitud
Dieléctrico
Campo eléctrico
Polarización
Definiciones
Valores especificos y: variable extensiva Y/ otra extensiva (V) Valor molal y*: variable extensiva/número de moles ν M Peso Molecular (peso de un mol) 1 gramo-mol=una masa en gramos igual al peso
molecular de la sustancia
MyMmYYy
ρν===*
densidad vVm 1==ρ
Cantidad molales: intensivas
Ley cero de la Termodinámica
¡ Si de tres sistemas A, B y C , A y B se encuentran separadamente en equilibrio con C, entonces A y B se encuentran en equilibrio uno con el otro.
),( YXϕϕ =
Generaliza a n variables
Define temperatura (grado de calentamiento) Existe una función de las variables independientes
(Ecuación de estado, forma analítica depende del sistema)
Temperatura
¡ Temperatura empírica: variable cuyo valor numérico establece cuándo dos o más sistemas, en contacto térmico entre sí, se encuentran o no en equilibrio.
¡ Valor numérico de ϕ(X,Y) para todos los sistemas en equilibrio uno con otro.
¡ Termómetro: sistema estándar para medir temperatura.
Isotermas
X
Y
X
Y
(X’1,Y’1)
Sistema S1 Sistema S2
(X’2,Y’2)
Isoterma I I’
Estados de S1 en equilibrio con estado de S2
I e I’ son isotermas correspondientes
Termómetro: sistema estándar
Sistema
(interacción con otros sistemas)
Variables termodinámicas X,Y
• Cambio de las propiedades físicas (2) del termómetro cuando entra en contacto con otros sistemas • Propiedad termométrica X: varía (Y=cte) • Definir escala se fija ecuación de estado ϕ(X,Y)
Temperatura θ(X): Depende de cada termómetro
Temperatura empírica
X
Y
X
θ
Sistema Escala
Isotermas
Estados de S1 en equilibrio con estado de S2
Enumeración arbitraria: empírica Forma simple : lineal
θ1 θ2
Y=cte θ
θ=aX
θ1 θ 2
Y = cte
Escala: determinar pendiente a
¡ Fijar estado estándar fácilmente reproducible e invariante (punto fijo). Se asigna un valor arbitrario θ
¡ Punto fijo: punto triple del agua ¡ θ = 273.16 K escala Kelvin a= 273.16/Xt X en punto triple
θ = 273.16 X/Xt
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