8.1: Propiedades termodinámicas
- Page ID
- 81969
Un contenedor de aire de masa fija confinado a un volumen almacena energía. Podemos reducir el volumen del aire. Este proceso requiere energía, y el volumen reducido de aire almacena más energía. Podemos aumentar la presión del gas, por ejemplo, ejerciendo una fuerza sobre un pistón dentro del cual se confina el aire. Este proceso requiere energía, y el aire bajo presión almacena más energía. Podemos tomar el volumen fijo de aire y calentarlo también. Se necesita energía para calentar el aire, y el aire más caliente almacena más energía. De igual manera, podemos sacudir el contenedor de aire. Nuevamente, este proceso requiere energía, y la energía del temblor se almacena en la energía interna, el movimiento aleatorio, de las moléculas de aire.
Para hablar de conversión de energía termodinámica, necesitamos definir cuatro propiedades fundamentales de un sistema: volumen, presión, temperatura y entropía. Todas estas propiedades dependen del estado actual, no de la historia pasada, de la muestra. Estas propiedades pueden clasificarse como intensivas o extensas [2, p. 10]. Una propiedad intensiva es independiente del tamaño o extensión del material. Una propiedad extensa depende del tamaño o extensión [2, p. 10].
| Unidades para Presión |
|---|
| 1\(\frac{N}{m^2}\) = 1 Pa |
| 1 bar =\(10^5\) Pa |
| 1 mmHg= 133.322 Pa |
| 1 atm = 101 325 Pa |
| 1 psi =\(6.894757 \cdot 10^3\) Pa |
\(\mathbb{V}\)El volumen es una propiedad extensa medida en\(m^3\) o litros donde\(1 L = 0.001 m^3\). \(\mathbb{P}\)La presión es una propiedad intensiva medida en las unidades SI de pascales donde 1 Pa =\(1\frac{N}{m^2}\). La presión también se mide en una amplia variedad de otras unidades, no SI, como barras, milímetros de mercurio o atmósferas estándar como se enumeran en la Tabla\(\PageIndex{1}\). Las medidas de presión a menudo se especifican en comparación con la presión más baja posible, de un vacío completo, y tales mediciones de presión se denominan mediciones de presión absoluta [102, p. 15-17]. En algunos casos, los valores se especifican como la diferencia por encima de la presión atmosférica local, y estas mediciones se denominan medidas de presión manométrica [102, p. 15-17]. En otros casos, los valores se especifican como la diferencia por debajo de la presión atmosférica local, y estas mediciones se denominan mediciones de presión de vacío [102, p. 15-17]. A menos que se especifique lo contrario, el término presión en este texto se refiere a presión absoluta, no manométrica o presión de vacío.
| Símbolo | Cantidad | Unidad | EXT/INT |
|---|---|---|---|
| \(\mathbb{V}\) | Volumen | \(m^3\) | Extenso |
| \(\mathbb{P}\) | Presión | Pa | Intensivo |
| \(S\) | Temperatura | K | Intensivo |
| \(T\) | Entropía | \(\frac{J}{K}\) | Extenso |
| Símbolo | Nombre | Valor y Unidad |
|---|---|---|
| \(k_B\) | Constante de Boltzmann | \(1.381 \cdot 10^{-23} \frac{J}{K}\) |
| \(\mathbb{R}\) | Constante molar de gas | \(8.314 \frac{J}{mol \cdot K}\) |
| \(N_a\) | Constante Avogadro | \(6.022 \cdot 10^{23} \frac{1}{mol}\) |
\(T\)La temperatura es una propiedad intensiva medida ya sea en las unidades SI de grados Celsius o Kelvin. Por definición, podemos relacionar las dos unidades por
\[T_{\left[^{\circ} \mathrm{C}\right]}=T_{[\mathrm{K}]}-273.15 \nonumber \]
[68]. También podemos medir la temperatura en la unidad no SI de grados Fahrenheit. La temperatura en grados Celsius y la temperatura en grados Fahrenheit están relacionadas por
\[T_{[^{\circ} \mathrm{C}]} = \left( \frac{T_{[^{\circ} \mathrm{F}]} - 32}{1.8} \right) . \nonumber \]
Al igual que con las mediciones de presión absoluta, se dice que la temperatura en kelvin se mide en una escala de temperatura absoluta porque la temperatura más baja posible viene dada por cero kelvin. Todas las temperaturas son cero absoluto o tienen valores positivos. Usamos el término temperatura para describir una propiedad de un sistema. Utilizamos el término transferencia de calor para describir el proceso de transferencia de energía de un objeto caliente a uno frío. La entropía\(S\) se mide en unidades\(\frac{J}{K}\), y es una propiedad extensa. Intuitivamente, la entropía es una medida de la falta de orden u organización de un material. Los átomos en un material amorfo están menos ordenados que los átomos en un cristal de la misma composición, por lo que el material amorfo tiene más entropía.
Se necesitarán algunas definiciones adicionales. El símbolo\(\mathbb{N}\) representa el número de átomos o moléculas de una sustancia. Si bien no suele considerarse una propiedad termodinámica fundamental, es una propiedad útil de una muestra. En ocasiones se especifica en las unidades de moles en lugar de por el número de átomos o moléculas. La constante de Avogadro
\[N_a = 6.022 \cdot 10^{23} \frac{1}{mol} \nonumber \]
es una constante que se utiliza para convertir un número dado al número por mol. La constante molar de gas es
\[\mathbb{R} = 8.314 \frac{J}{mol \cdot K}. \nonumber \]
La constante de Boltzmann es
\[k_B = 1.381 \cdot 10^{-23} \frac{J}{K}. \nonumber \]
Estas tres constantes están relacionadas por
\[k_B = \frac{\mathbb{R}}{N_a}. \nonumber \]