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MONOGRAFIAS TÉCNICAS. TERMODINÁMICA

PROPIEDADES DE LA ECUACIÓN FUNDAMENTAL

ECUACIÓN DE EULER

En el capítulo sobre la entropía hemos encontrado que la expresión general de la identidad termodinámica es:
    \( \displaystyle dU = T·dS - P·dV + \sum \mu_k·dN_k \)
Esta expresión implica la existencia de una relación entre los parámetros extensivos de un sistema, una ecuación fundamental. Esta ecuación escrita en la forma:
    \( U = U(S,V,N_1,\; ...,\; N_m) \qquad (1) \)
Constituye la ecuación fundamental en representación energética. Sí la entropía figura como variable independiente:
    \( S = S(U,V,N_1,\; ...,\; N_m) \qquad (1') \)
Si tiene la ecuación fundamental en representación entrópica.
La ecuación fundamental en cualquiera de las dos representaciones anteriores contiene toda la termodinámica de un sistema. Así por ejemplo, la ecuación de Estado puede obtenerse de la ecuación fundamental. Por otro lado, observar en la identidad termodinámica, metros intensivos en la representación energética vienen dados por derivación de la ecuación fundamental en esta representación según:
    \( \displaystyle \begin{array}{l}
    T = \left(\frac{\partial U}{\partial S}\right)_{V,N_1,...N_n}\quad ;\quad -P = \left(\frac{\partial U}{\partial V}\right)_{S,N_1,...,N_n} \\
     \\
    \mu_k = \left(\frac{\partial U}{\partial N_k}\right)_{S,V,...,N_{k-1},N_{k+1},...}
    \end{array} \qquad(2) \)
Sí en la expresión de la identidad termodinámica despejamos \( dS \) resulta:
    \( \displaystyle dS = \frac{1}{T}·dU + \frac{P}{T}·dV - \sum\frac{\mu_k}{T}·dN_k\qquad (3) \)
Con lo que los parámetros intensivos correspondientes a la representación entrópica resultan ser:
    \( \displaystyle \begin{array}{l}
    \frac{1}{T} = \left(\frac{\partial S}{\partial U}\right)_{V,N_1,..., N_n}\quad ;\quad \frac{P}{T} = \left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_{S,N_1,..., N_n} \\
     \\
    - \frac{\mu_k}{T} = \left(\frac{\partial S}{\partial N_k}\right)_{S,V,...,N_{k-1},N_{k+1},...}
    \end{array} \qquad(4) \)
En este capítulo estudiaremos las relaciones termodinámicas que se derivan de la existencia de la ecuación fundamental.

Ecuación de Euler.

La ecuación fundamental es una función homogénea de primer orden. Esta importante propiedad da lugar a dos relaciones termodinámicas conocidas con el nombre de ecuación de Euler y ecuación de Gibbs Duhem.
En general, una función \( f(x_1,x_2,...,x_n) \) es homogénea de grado n sí verifica:
    \( f\left(\lambda·x_1\: ,\: \lambda·x_2\: ,\: ...\: ,\: \lambda·x_n\right) = \lambda^n·f\left(x_1\: ,\: x_2\: ,\: ...\: ,\: x_n\right) \)
Y el exponente n indica el orden de la homogeneidad de la función. Así, por ejemplo, la función:
    \(z(x,y) = x^2 + y^2\)
Es una función homogénea de orden 2 puesto que se tiene:
    \( z(\lambda·x, \lambda·y) = (\lambda·x)^2 + (\lambda·y)^2 = \lambda^2(x^2 + y^2) = \lambda^2·z(x,y) \)
También se puede ver que la función:
    \( \displaystyle z(x,y) = \left(\frac{y}{x}\right)^3 \)
Qué es una función homogénea de orden cero puesto que cumple:
    \( \displaystyle z(\lambda·x, \lambda·y) = \left(\frac{\lambda·y}{\lambda·x}\right)^3 = \left(\frac{y}{x}\right)^3 = \lambda^o·z(x,y) \)
Una relación válida para funciones homogéneas podemos obtenerla del siguiente modo. Sí \( f(x_1, x_2, ..., x_n) \) es una función homogénea de orden n cumplirá:
    \( \displaystyle f\left(\lambda·x_1\: ,\: \lambda·x_2\: ,\: ...\: ,\: \lambda·x_n\right) = \lambda^n·f\left(x_1\: ,\: x_2\: ,\: ...\: ,\: x_n\right) \)
Si derivamos a ambos miembros respecto a \( \lambda \) nos queda:
    \( \displaystyle \frac{\partial f}{\partial (\lambda x_1)}x_1 + \frac{\partial f}{\partial(\lambda x_2)}x_2 + ... + \frac{\partial f}{\partial(\lambda x_n)}x_n = n·\lambda^{n-1}f(x_1,x_2,\; ...,\; x_n) \)
Expresión que se cumplirá para todo \( \lambda \) tomando en particular \( \lambda=1 \) resulta:
    \( \displaystyle \frac{\partial f}{\partial x_1}x_1 + \frac{\partial f}{\partial x_2}x_2 + ... + \frac{\partial f}{\partial x_n}x_n = n·f(x_1,x_2,\; ...,\; x_n) \)
Relación conocida con el nombre de ecuación de Euler.
Volviendo a la termodinámica podemos demostrar que la ecuación fundamental es una función homogénea de primer orden. En efecto, si consideramos un sistema \( \lambda \) veces mayor, las variables extensivas serán \( \lambda \) veces mayores y por lo tanto se verificará:
    \( U(\lambda S, \lambda V, \lambda N_1,\: ...\: , \lambda N_m) = \lambda·U(S, V, N_1,\: ...\:, N_m)\qquad (5) \)
Lo que prueba la homogeneidad de primer orden de la ecuación fundamental.
Si aplicamos la ecuación de Euler a la ecuación fundamental obtenemos la expresión:
    \( \displaystyle \frac{\partial U}{\partial S}·S + \frac{\partial U}{\partial V}·V + \sum_{1}^{m}\frac{\partial U}{\partial N_k}·N_k = U \)
Y considerando las expresiones (2)
    \( \displaystyle U = T·S - P·V + \sum \mu_k·N_k \qquad (6) \)
En la representación entrópica serán igualmente válidas las consideraciones precedentes y la ecuación de Euler en este caso será:
    \( \displaystyle S = \frac{1}{T}·U + \frac{P}{T}·V - \sum\frac{\mu_k}{T}·N_k\qquad (7) \)
Que puede obtenerse directamente de la ecuación de Euler en representación energética.
Los parámetros intensivos \( T, P\; y \; \mu_k \) en las variables \( S, V\; y \; N_k \) son funciones homogéneas de orden cero. Esta propiedad (evidente para T y P) se infiere de la homogeneidad de primer orden de la ecuación fundamental. en efecto, para \( \mu_k \), por ejemplo, verificará:
    \( \displaystyle \mu_k = \frac{\partial U}{\partial N_k} = \frac{\partial (\lambda U)}{\partial(\lambda N_k)} \)
Lo que prueba que \( \mu_k \) es función homogénea de orden cero de los parámetros extensivos del sistema. Tendremos entonces:
    \( \mu_k(S, V, N_1, ... , N_m) = \mu_k(\lambda S, \lambda V, \lambda N_1, ... , \lambda N_m) \)
En particular, si hacemos:
    \( \displaystyle \lambda = \frac{1}{N}\quad ,\quad donde\quad N = N_1+N_2 + ... + N_m \)
Resulta:
    \( \mu_k = \mu_k(s , v , x_1 , ... , x_m) \)
Dónde las \( x_i\) son las fracciones molares.
Las consideraciones respecto a la homogeneidad son aplicables a toda expresión termodinámica. Así, por ejemplo, la ecuación de estado de un sistema formado por N moles de un componente será de la forma:
    \(P = P(V , T , N)\)
Y al ser P parámetro intensivo:
    \( P= P(\lambda V , T , \lambda N)\)
Por lo que podemos decir que P es una función homogénea de orden 0 respecto a las variables extensivas V y N. En consecuencia, será función de V y N a través del cociente V/N y podemos poner:
    \( \displaystyle P = P\left(T, \frac{V}{N}\right) = P(T, v) \)
Cómo segundo ejemplo podemos considerar una mezcla de dos componentes. La energía interna será función de las variables \( P , T , N_1\quad y \quad N_2 \) y se cumplirá:
    \( U(P, T, \lambda N_1 , \lambda N_2) = \lambda U(P, T ,N_1, N_2) \)
Con lo que podemos poner por la ecuación de Euler:
    \( \displaystyle U = \frac{\partial U}{\partial N_1}·N_1 + \frac{\partial U}{\partial N_2}·N_2 = N_1·\overline{U_1} + N_2·\overline{U_2} \)
Dónde \( \overline{U_1} \quad y \quad \overline{U_2} \) son funciones homogéneas de orden cero:
    \( \overline{U_1} = \overline{U_1}(P, T, x_1) \quad ; \quad \overline{U_2} = \overline{U_2}(P , T , x_2) \)
Siendo \( x_1 \) la fracción molar del componente 1 y \( x_2 \) la del componente 2. El procedimiento de este ejemplo es la base del estudio termodinámico de mezclas. Las funciones \( \overline{U_1} \quad y \quad \overline{U_2} \) se denominan energías internas molares parciales de los componentes 1 y 2, respectivamente.


Monografía en tres capítulos, PROPIEDADES DE LA ECUACIÓN FUNDAMENTAL Capítulo dos ecuación de Gibbs Duhem
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Página publicada por: José Antonio Hervás