física termodinámica
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FÍSICA TERMODINÁMICA
Leyes de la termodinámica
GENERALIDADES
Como su nombre lo indica la
termodinámica se ocupa de las
transferencias y acciones (dinámica) del
calor (en griego therme significa «calor»).
En general, se trata de una rama amplia y
general de la ciencia que estudia todos
los tipos y aspectos de la energía, pero
sobretodo la relación entre calor y la
energía mecánica
El desarrollo formal de esta ciencia
empezó hace menos de 200 años, debido
principalmente a los intentos de idear
maquinas de calor, aparatos que
convierten la energía calorífica en trabajo
mecánico, entre ellas cuentan las
maquinas de gasolina las maquinas de
diesel, maquinas de propulsión y
cualquier dispositivo que transforme el
calor en trabajo .
PORQUE SE
DESARROLLO?
PRIMERA LEY DE LA
TERMODINÁMICA…
COORDENADAS
TERMODINÁMICAS…
Como existen tres variables
termodinámicas para determinada
mas de gas, conviene considerar
los procesos «iso» (del griego
isos = igual), en los cuales se
mantiene constante una
coordenada
«PROCESOS ISO»
Es aquel en que la presión de
un sistema permanece constante,
la trayectoria del proceso isobárico
recibe el nombre de isobara. La
energía interna de un gas ideal es
directamente proporcional a su
temperatura, por lo tanto un
incremento de la temperatura
significa que también debe
aumentar la energía (cinética)
interna
PROCESO ISOBÁRICO
es aquel que el volumen del
sistema permanece constante,
en este caso al sistema se le
agrega energía. Y si el volumen
se mantiene constante, la
presión debe aumentar y
también se eleva la temperatura.
En este proceso no se efectúa
trabajo pues el área bajo la
curva es cero
PROCESO ISOMÉTRICO
Es aquel en que la temperatura del
sistema permanece constante. Al pasar del
estado 1 al estado 2, se agrega energía al
sistema, y tanto la presión como el volumen
cambian para mantener constante la
temperatura el trabajo efectuado es igual al
área bajo la curva, la energía interna del gas
ideal permanece inalterada pues la
temperatura es constante por tanto un
proceso isotérmico es aquel ene que hay
transformación de energía: energía calorífica
en energía mecánica
PROCESO ISOTÉRMICO
Es en el que no entra energía en el
sistema ni sale de el, además en el que
todas las coordenadas termodinámicas
varía, la temperatura del gas ideal
disminuye ene el proceso y por la misma
razón decremento la energía el trabajo
efectuado sirve para aumentar la energía
interna, como evidencia un incremento de
la temperatura del sistema como lo dice la
primera ley
PROCESO ADIABÁTICO
SEGUNDA LEY DE LA
TERMODINÁMICA
TERMODINÁMICA
ESCALA DE TEMPERATURA
ABSOLUTA
La Temperatura absoluta es el valor
de la temperatura medida con respecto
a una escala que comienza en el cero
absoluto (0 K ó −273,15 °C). Se trata de
uno de los principales parámetros
empleados en termodinámica y
mecánica estadística. En el Sistema
Internacional de Unidades se expresa
en kelvin, cuyo símbolo es K.1
En 1824 un ingeniero francés llamado Sadi Carnot, describió una
maquina teórica, conocida ahora como maquina de Carnot que es
fundamental tanto desde el punto de vista practico como el punto de
vista teórico demostró que una maquina térmica que funcione en un ciclo
reversible ideal denominado ciclo de Carnot entre dos depósitos térmicos
es la maquina mas eficiente posible. Esta maquina establece un limite
superior en la eficiencias de todas las maquinas. Es decir el trabajo neto
realizado por una sustancia de trabajo sometida al ciclo de Carnot es la
Cantidad de trabajo mas grande posible para una cantidad dada de
energía térmica suministrada a la sustancia ala temperatura mas alta.
CICLO DE CARNOT
Ninguna maquina térmica real que opera entre dos
depósitos térmicos puede ser mas eficiente que una
maquina de Carnot operando entre dos mismos
depósitos.
Imaginamos dos maquinas térmicas que operan
entre los mismos depósitos de calor, una de las cuales
es una maquina de Carnot con eficiencia e0 cuya
eficiencia e es mas grande que e0, si la maquina mas
eficiente se emplea para accionar la maquina de Carnot
como un refrigerador, el resultado neto es una
transferencia de calor del deposito frio al caliente. De
acuerdo con la segunda ley. Esto es imposible por lo
tanto e0 > e debe ser falsa
CICLO DE CARNOT
Expansión isoterma: Se parte de una situación
en que el gas se encuentra al mínimo volumen del
ciclo y a temperatura T1 de la fuente caliente. En
este estado se transfiere calor al cilindro desde la
fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se
expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse,
pero absorbe calor de T1 y mantiene su temperatura
constante. Al tratarse de un gas ideal, al no cambiar
la temperatura tampoco lo hace su energía interna,
y despreciando los cambios en la energía potencial
y la cinética, a partir de la 1ª ley de la
termodinámica vemos que todo el calor transferido
es convertido en trabajo.
FASES DEL CICLO DE
CARNOT
Expansión adiabática: La expansión
isoterma termina en un punto tal que el
resto de la expansión pueda realizarse sin
intercambio de calor. A partir de aquí el
sistema se aísla térmicamente, con lo que
no hay transferencia de calor con el
exterior. Esta expansión adiabática hace
que el gas se enfríe hasta alcanzar
exactamente la temperatura T2 en el
momento en que el gas alcanza su
volumen máximo. Al enfriarse disminuye
su energía interna.
FASES DEL CICLO DE
CARNOT
Compresión isoterma: Se
pone en contacto con el sistema la
fuente de calor de temperatura T2
y el gas comienza a comprimirse,
pero no aumenta su temperatura
porque va cediendo calor a la
fuente fría. Al no cambiar la
temperatura tampoco lo hace la
energía interna, y la cesión de
calor implica que hay que hacer
un trabajo sobre el sistema.
FASES DEL CICLO DE
CARNOT
Compresión adiabática:
Aislado térmicamente, el
sistema evoluciona
comprimiéndose y
aumentando su temperatura
hasta el estado inicial. La
energía interna aumenta y el
calor es nulo, habiendo que
comunicar un trabajo al
sistema:
FASES DEL CICLO DE
CARNOT
ENTROPÍA
CERO ABSOLUTO
Sólo se pueden calcular variaciones de entropía. Para calcular
la entropía de un sistema, es necesario fijar la entropía del
mismo en un estado determinado. La tercera ley de la
termodinámica fija un estado estándar: para sistemas
químicamente puros, sin defectos estructurales en la red
cristalina, de densidad finita, la entropía es nula en el cero
absoluto (0 K).
Esta magnitud permite definir la segunda ley de la
termodinámica, de la cual se deduce que un proceso tiende a
darse de forma espontánea en un cierto sentido solamente.
Por ejemplo: un vaso de agua no empieza a hervir por un
extremo y a congelarse por el otro de forma espontánea, aún
cuando siga cumpliéndose la condición de conservación de la
energía del sistema (la primera ley de la termodinámica).
ENTROPÍA
Es una función de estado de la termodinámica donde
la variación permite expresar la cantidad de calor puesto
en juego durante una transformación isobárica (es decir,
a presión constante) en un sistema termodinámico
(teniendo en cuenta que todo objeto conocido puede ser
entendido como un sistema termodinámico),
transformación en el curso de la cual se puede recibir o
aportar energía (por ejemplo la utilizada para un trabajo
mecánico). En este sentido la entalpía es numéricamente
igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al
sistema en cuestión. Usualmente la entalpía se mide,
dentro del Sistema Internacional de Unidades, en joules.
ENTALPIA