Termodin Mica E Introducci N A La-Books Pdf

TERMODIN MICA E INTRODUCCI N A LA
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Las presentes notas se basan en los apuntes que prepar en 2000 para el Curso de F sica 4 y. hacen pareja con Introducci n a la Mec nica Cu ntica El estudiante deber a leer ambas partes. pues son complementarias Usamos siempre las unidades gaussianas en el desarrollo de la teor a. Sin embargo al considerar ejemplos y al dar valores num ricos se emplean a veces unidades. pr cticas o que pertenecen a otros sistemas Por lo tanto el lector debe tener el debido cuidado en. el empleo de las f rmulas, Existe una bibliograf a muy extensa que el estudiante puede consultar con provecho Si bien. todos los temas del programa de F sica 4 se tratan en estas notas y en Introducci n a la. Mec nica Cu ntica se recomienda muy especialmente a los estudiantes que consulten y lean. otros textos para familiarizarse con la literatura y dado que algunos temas se tratan en ellos con. mayores detalles o con enfoques diferentes El alumno no debe desde ar obras que se han escrito. hace ya muchos a os pues muchas de ellas son excelentes y muchas veces mejores que otras. m s recientes Entre los innumerables libros que se han escrito sobre la Termodin mica y la. Mec nica Estad stica puedo indicar los siguientes, 1 E Fermi Termodin mica Eudeba. 2 H B Callen Termodin mica Editorial A C, 3 F Mandl F sica Estad stica Limusa. 4 R H Flowers y E Mendoza Propiedades de la Materia Limusa. 5 R Eisberg F sica Moderna Limusa, 6 R Eisberg y L Lerner F sica Fundamentos y Aplicaciones Vol II Mc Graw Hill. 7 M W Zemansky y R H Dittman Calor y Termodin mica Mc Graw Hill. 8 G Weinreich Fundamental Thermodynamics Addison Wesley. 9 J T Vanderslice H W Schamp Jr y E A Mason Thermodynamics Prentice Hall. 10 A B Pippard The Elements of Classical Thermodynamics Cambridge Univ Press. 1 1 R Bowley y M S nchez Introductory Statistical Mechanics Oxford Science. Publications, 12 C L Tien y J H Lienhard Statistical Thermodynamics HRW Series in Mechanical.
Engineering, 13 D ter Haar Elements of Thermodynamics Holt Rinehart and Winston. 14 L D Landau y E M Lifschitz Statistical Physics Pergamon. 15 A Sommerfeld Thermodynamics and Statistical Mechanics Academic Press. 16 F Reif Fundamentals of Statistical and Thermal Physics Mc Graw Hill. Tambi n puede resultar provechoso consultar las diferentes voces en la Encyclopaedia. Britannica dado que han sido escritas por distinguidos especialistas. Pido disculpas por las erratas que pueden haber quedado en estas notas pese a la revisi n y. agradecer que se me ponga al corriente de las que fueran detectadas. Julio Gratton, Buenos Aires enero de 2003, 1 Introducci n 1. 2 Definiciones y conceptos b sicos 2, 3 La temperatura 5. Fundamentos experimentales de las mediciones de temperatura 5. El term metro de gas ideal 7, Escala de temperatura pr ctica internacional 9. Observaciones 9, 4 La Primera Ley 10, Experimentos de Joule 10.
Definici n de energ a interna 11, Definici n de calor 12. La Primera Ley 13, Imposibilidad del m vil perpetuo de primera especie 14. Comentarios sobre el calor 14, Capacidades calor ficas 15. 5 La Segunda Ley 16, Enunciaci n de la Segunda Ley 16. Diagrama simb lico de un ciclo 17, Corolarios de la Segunda Ley 17.
Definici n de la temperatura termodin mica absoluta 21. La desigualdad de Clausius 24, La entrop a 26, Ejemplos de ciclos reversibles 28. 6 Entrop a 30, Ecuaci n diferencial de la entrop a 30. Aditividad de la entrop a para sistemas compuestos 31. Determinaci n experimental de la entrop a 31, Otras propiedades de la entrop a 33. Ejemplos de variaciones de entrop a en procesos irreversibles 36. 7 M todos Anal ticos y Aplicaciones 40, Expresi n combinada de la Primera y Segunda Ley 40. La entalp a 41, La energ a libre o funci n de Helmholtz 42.
La funci n de Gibbs 43, Potenciales termodin micos o funciones caracter sticas 43. Derivaci n cruzada y relaciones de Maxwell 47, Aplicaciones de las relaciones de Maxwell 48. Relaci n entre las capacidades calor ficas 54, Identidad de las escalas de temperatura de los gases ideales y termodin mica 55. La ecuaci n de estado adiab tica 57, Potenciales termodin micos y m todos de c lculo 58. 8 Condiciones de equilibrio y otros desarrollos anal ticos 61. El principio del incremento de la entrop a para un sistema aislado 61. El potencial qu mico y el equilibrio respecto del intercambio de materia 64. Las relaciones termodin micas para sistemas abiertos 66. La ecuaci n fundamental y las ecuaciones de estado de un sistema 67. Las relaciones de Euler 68, La relaci n de Gibbs Duhem 69.
Tercera Ley de la Termodin mica 70, El gas ideal monoat mico 71. El principio entr pico para un sistema que interact a con el ambiente 73. Equilibrio de un sistema de volumen constante en un ba o calor fico 75. Equilibrio de un sistema a presi n constante en un ba o calor fico 75. Equilibrio de un sistema t rmicamente aislado y a presi n constante 76. Trabajo m ximo 76, 9 Estabilidad del equilibrio termodin mico 79. Estabilidad intr nseca de un sistema simple 79, Criterios de estabilidad y el principio de Le Chatelier 82. Estabilidad mutua de sistemas de un solo componente 83. 10 Gases y fluidos reales 85, La ecuaci n de estado de un gas real 85. La ecuaci n de van der Waals 86, La ecuaci n de estado virial 88.
Las capacidades calor ficas de un gas real 89, El coeficiente de Joule Thomson 90. El potencial qu mico de un fluido puro 91, 11 Cambios de fase 93. Transiciones de fase de primer orden en sistemas de un componente 93. La regla de la palanca 98, El calor latente de transici n 99. Estados metaestables en una transici n de fase 100. Coexistencia de fases 101, Equilibrio de fases en sistemas de un solo componente 102. Aplicaciones de la ecuaci n de Clausius Clapeyron 106. El punto cr tico 107, Efecto de la presi n externa sobre la presi n de vapor 109.
La regla de las fases de Gibbs para sistemas de muchos componentes 110. Transiciones de fase de orden superior 112, 12 Termodin mica de soluciones 114. La ley de Gibbs Dalton 114, La ley de Raoult 115, Elevaci n del punto de ebullici n de una soluci n 117. Descenso criosc pico de una soluci n 120, Presi n osm tica 122. 13 Termodin mica qu mica 124, Estequiometr a de las reacciones qu micas 124. Equilibrio qu mico 125, Grado de una reacci n 126, Reacciones simult neas 127.
Calor de reacci n 128, La estabilidad y el Principio de Le Chatelier en presencia de reacciones qu micas 129. La regla de las fases para sistemas qu micos 130, La ley de acci n de las masas para reacciones qu micas en gases ideales 130. Dependencia de la constante de equilibrio con la temperatura 131. Calor de reacci n de las reacciones entre gases ideales 132. Aditividad de las reacciones 133, 14 La Tercera Ley 134. Comentarios previos y trasfondo hist rico 134, Enunciado de la Tercera Ley 134. El principio de Thomsen y Berthelot y la evidencia experimental de la Tercera Ley 135. Calores espec ficos y otras propiedades a baja temperatura 136. Constantes de equilibrio y funciones termodin micas 137. Inalcanzabilidad del cero absoluto 138, 15 Termodin mica de las superficies y de la radiaci n 140.
Comentarios previos 140, Efectos de superficie 140. Radiaci n 144, 16 Nociones de Mec nica Estad stica 154. Comentarios previos 154, El peso estad stico de un macroestado 156. Equilibrio de un sistema aislado 157, Definici n de la entrop a de un sistema aislado 158. El equilibrio de un sistema en un ba o calor fico y la distribuci n de Boltzmann 160. Definici n general de la entrop a 166, La Segunda Ley para los cambios infinitesimales 168.
El equilibrio de un sistema con n mero variable de part culas en un ba o calor fico 170. La Tercera Ley 175, 17 El gas ideal cl sico, Comentarios previos 176. La estad stica de Maxwell Boltzmann del gas perfecto cl sico 178. Factorizaci n de la funci n de partici n de una mol cula 179. Ecuaci n de estado energ a interna capacidad calor fica y. potencial qu mico del gas perfecto 184, La entrop a 186. La entrop a de una mezcla de gases perfectos 187, La distribuci n de velocidades de Maxwell 191. Distribuci n de energ a de un gas perfecto en un ba o t rmico 196. 18 La estad stica cl sica y la equipartici n de la energ a 199. Consideraciones generales 199, Generalidad de la distribuci n de Maxwell de la velocidad 200. La equipartici n de la energ a 201, La equipartici n y el problema de los calores espec ficos 203.
El fracaso de la equipartici n y la teor a cu ntica 205. La teor a de Planck de la radiaci n de cuerpo negro 206. El postulado de Planck y sus implicancias 214, Las teor as de Einstein y Debye del calor espec fico de los s lidos 214. 19 Teor a cin tica elemental y propiedades de transporte 220. Fen menos de transporte 220, El equilibrio termodin mico local 220. La noci n de camino libre medio 220, El camino libre medio y la secci n eficaz de colisiones 221. Difusi n 222, Conducci n del calor 223, Viscosidad 225. C lculo de los coeficientes de transporte de un gas 227. Comparaci n con los valores experimentales de los coeficientes de transporte 232. 1 Introducci n, 1 INTRODUCCI N, La Termodin mica es el estudio de las propiedades de sistemas de gran escala en equilibrio en.
las que la temperatura es una variable importante, Varios t rminos que hemos usado aqu sistemas equilibrio y temperatura ser n definidos rigu. rosamente m s adelante pero mientras tanto bastar con su significado habitual. En la Termodin mica hay dos leyes b sicas y ambas se pueden enunciar de modo de negar la. posibilidad de ciertos procesos, La Primera Ley establece que es imposible un proceso c clico en el cual una m quina produzca. trabajo sin que tenga lugar otro efecto externo es decir niega la posibilidad de lo que se suele. llamar m quina de movimiento perpetuo de primera especie. La Segunda Ley no se puede enunciar de modo tan preciso como la primera sin una discusi n. previa Sin embargo hecha la salvedad que ciertas definiciones se deben dar todav a podemos. decir que la Segunda Ley establece que es imposible un proceso c clico en el cual una m quina. realice trabajo intercambiando calor con una nica fuente t rmica Una tal m quina inexistente. ser a una m quina de movimiento perpetuo de segunda especie. Por ahora ninguna de estas formulaciones tiene una forma til y las trataremos en detalle sola. mente despu s de haber presentado las definiciones rigurosas de los conceptos necesarios. Un problema t pico entre aquellos que se tratan en Termodin mica consiste en calcular un con. junto de propiedades de un sistema a partir de otro conjunto de propiedades y como consecuen. cia de la imposibilidad de los procesos de movimiento perpetuo que acabamos de mencionar. Muy raramente se resuelven estos problemas mediante el m todo directo pero engorroso de. construir mentalmente hipot ticas m quinas de movimiento perpetuo En cambio se suelen usar. procedimientos matem ticos abstractos que se obtienen de una vez por todas y luego se utilizan. para resolver los problemas Estos procedimientos indirectos son muy eficientes pero no hay. que olvidar que su fundamento reside en las dos leyes b sicas. La Termodin mica se ocupa de estudiar procesos y propiedades macrosc picas de la materia y. no contiene ninguna teor a de la materia Por lo tanto no nos dice nada acerca de la estructura de. la materia Como las variables con la cuales se trabaja son siempre macrosc picas no es posible. obtener de la Termodin mica la informaci n de escala microsc pica acerca del sistema ya sea. en lo referente a su estructura como a sus procesos internos Si bien sta es una limitaci n en. compensaci n significa que la Termodin mica tiene gran generalidad. El hecho de evitar deliberadamente toda referencia a la estructura de la materia confiere a la. Termodin mica cl sica una austeridad que a primera vista puede parecer poco agradable Pero. este enfoque tiene la virtud de poner en evidencia precisamente aquellas partes de una teor a f. sica que no dependen de teor as particulares de la materia Por esto la Termodin mica tiene un. aspecto muy pr ctico puesto que se la puede aplicar con toda confianza a sistema que son dema. siado complicados para ser analizados mediante otras teor as Cuando estudiemos la Termodi. n mica Estad stica mostraremos como se pueden relacionar las propiedades a escala microsc. pica del sistema con propiedades macrosc picas que estudia la Termodin mica cl sica. 2 Definiciones y conceptos b sicos, 2 DEFINICIONES Y CONCEPTOS B SICOS. La Termodin mica se origin en consideraciones acerca de calor y temperatura y emplea t rmi. nos y conceptos del lenguaje corriente Sin embargo esas mismas palabras y conceptos cuando. se usan en Termodin mica son abstracciones de los conceptos ordinarios y tienen significados. bien precisos que pueden diferir del uso com n Por eso hace falta introducir algunas definicio. nes y conceptos b sicos de los cuales quiz s el m s fundamental es el de equilibrio. Un sistema es aquella particular porci n del universo en la cual estamos interesados T picos. sistemas termodin micos pueden ser una cierta cantidad de gas un l quido y su vapor una mez. cla de dos l quidos una soluci n un s lido cristalino etc. Todo lo que se encuentra en el universo con excepci n del sistema se denomina ambiente. Un l mite es toda pared contorno o borde real o ideal que separa el sistema del ambiente En. Termodin mica se supone que el l mite de un sistema es una superficie matem tica a la que. ii PR LOGO Las presentes notas se basan en los apuntes que prepar en 2000 para el Curso de F sica 4 y hacen pareja con Introducci n a la Mec nica Cu ntica

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