Termodinámica

Unidad 1

Evidencias de aprendizaje

Escalando el Popo

Resumen

En este trabajo descubriremos la importancia de la termodinámica y su entorno, identificaremos los sistemas termodinámicos y se manejaran los sistemas de unidades, identificaremos los gases ideales y los no ideales, clasificaremos los tipos de equilibrio y sus ecuaciones de estado, conoceremos las propiedades y clasificación de las sustancias puras, la aplicación de la ley cero de la termodinámica, conoceremos cuales son las propiedades volumétricas de los fluidos y sus diagramas de Pv, PT y PvT   y las aplicaremos al fenómeno natural de como escalaremos el popo.

Introducción

Termodinámica estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo, un sistema en equilibrio termodinámico. Según su procedencia pueden ser de tres tipos:

Variables de composición:

Especifican la cantidad de cada uno de los componentes. Por ejemplo, la masa de cada uno o el número de moles.

Variables mecánicas:

Son aquellas que proceden de una interacción mecánica, como presión, volumen, pero también aquellas que proceden de otras ramas de la Física como el Electromagnetismo (intensidad del campo eléctrico o magnético, etc.).

Variables térmicas:

Son las que surgen de los postulados propios de la Termodinámica o combinaciones de estas con variables mecánicas.

Las variables que tienen relación con el estado interno de un sistema, se llaman variables termodinámicas o coordenadas termodinámicas, y entre ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son:

• La masa

• El volumen

• La densidad

• La presión

• La temperatura

Las variables pueden ser extensivas o intensivas.

Las extensivas son globales, es decir, dependen del tamaño del sistema y son aditivas. Ejemplos son el volumen, la masa, el número de moles, etc.

Las variables extensivas pueden convertirse en específicas cuando se establecen por unidad de masa o molares cuando se expresan por unidad de mol.

Las variables intensivas son locales (están definidas en cada parte del sistema y son, por lo tanto, independientes de su tamaño) y no son aditivas, como por ejemplo, la temperatura, la presión, etc. Las variables específicas y molares son intensivas.

La ley de los gases ideales: es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética).

Ley cero: equilibrio térmico y temperatura

Dos sistemas A y B pueden estar aislados el uno del otro y del entorno a ellos a través de paredes adiabáticas. Ambos sistemas pueden estar en estados diferentes y el cambio que experimenta uno no tiene efecto en el otro. Ahora, si la pared que separa a los sistemas A y B es sustituida por

una pared diatérmica, se establece un flujo de energía en forma de calor. El intercambio de energía permite que las variables macroscópicas de ambos sistemas cambien. Los cambios ocurren hasta que en ambos sistemas las variables macroscópicas se hacen constantes. Cuando esto ocurre decimos que ambos sistemas están en equilibrio térmico. En realidad dos sistemas no tienen por qué estar en contacto para estar en equilibrio térmico. A través de un tercer sistema C podemos descubrir si dos sistemas están en equilibrio térmico.Desarrollo

El Popo tiene una altura de 5,452 metros y es el más alto de México . Forma parte del paisaje de la Ciudad de México, aunque está muy retirado de la misma.

La mejor época para ascender a su cumbre es desde mediados de noviembre a mediados de marzo, y quienes han ido afirman que la subida no es difícil, aunque sí larga y dura, y hay que estar en buenas condiciones físicas.La ruta que usan los alpinistas es por el pueblo de Las Cruces, y se tarda de seis a ocho horas en llegar a la cumbre, y otras tres horas en el descenso. La excursión se inicia en el refugio de Tlamacas, al pie del volcán, que está a una altura de 3,960 metros, y hasta donde se puede llegar cómodamente en autobús vía Amecameca, lo que se hace en dos o tres horas.Se recomienda iniciar el ascenso entre las dos y las cuatro de la madrugada, e ir bien equipado con bastones de esquí y un piolet, crampones, lámpara de cabeza o de minero para la salida, botas de escalador,

Equipo de primeros auxilios y suficientes víveres para cualquier emergencia.La primera etapa del ascenso es de dos horas, caminando sobre tierra volcánica. Al llegar al lugar llamado Las Cruces debe tomarse el camino de la izquierda, no el de la derecha, porque es una ruta más difícil. Por supuesto, no se aconseja ir solo ni en grupo si no llevan a un guía que conozca bien todo el proceso de la ascensión.

De Las Cruces se inicia la segunda etapa, que es la más fatigosa, porque se pasa del suelo volcánico a la nieve. En el camino y en algunas rocas hay indicios que han dejado otros alpinistas para guiar a los que ascienden por primera vez. Hay que dar varios rodeos y evitar salientes y masas de nieve que no ofrezcan seguridad, y por fin se llega a una gran roca que está justamente sobre el borde del cráter, que tiene una profundidad de 480 metros, y mide de un extremo a otro 850 metros, pero hay que caminar un poco más para llegar hasta la cumbre del volcán, pues la roca gigantesca está en una parte inferior. Desde la cima se puede contemplar, en un día claro, la Ciudad de México, el Izta, la ciudad de Puebla, y el Pico de Orizaba.

Se advierte a los alpinistas noveles que vigilen el llamado mal de altura, que se manifiesta con náuseas, fuertes dolores de cabeza y a veces hemorragia nasal. Se debe descansar hasta que desaparezcan dichas molestias, y si no sucede esto, regresar en busca de ayuda médica, aunque se dice que un día de descanso en el albergue de Tlamacas puede ayudar mucho.

En este caso encontramos dos sistemas termodinámicos

• Sistema abierto y sistema cerrado

Enseguida identificaremos los problemas y los modelos a utilizar para realizar la escalada al Popocatépetl.

Identificar los problemas

Modelos que se utilizaran para resolver los problemas

Condición física

Metabolismo

Cambios climáticos balance energético, ley cero de la termodinámica

Alimentación

Catabolismo, anabolismo

Altitud

Ley de los gases

Condición física

La condición física es el estado de la capacidad de rendimiento psico-física de una persona en un momento dado. Se manifiesta como capacidad de fuerza, velocidad, resistencia y flexibilidad. Influyen en ella los procesos energéticos del organismo y las características psíquicas precisas para el cometido que se le asigne a dicha condición.

La condición física (fuerza) será en el rendimiento, resistencia   y capacidad que tenga la persona para aplicarla al escalar la montaña, la velocidad: esta nos determinara el tiempo que se tarde en subir la montaña

Ecuación no. 1

Fuerza   f=m. a

F= fuerza   newtons (kg•m/s²),

m= masa   kilogramo (Kg),   a = aceleración ( m/s.)

Ecuación no. 2

Velocidad v=d/t

V = velocidad   (m/s),   d = distancia ( mts.), t= tiempo   (segundos)

Cambios climáticos

A la temperatura corporal (constante), muchas reacciones o sistemas del organismo humano pueden alcanzar un estado de equilibrio químico, el que debido a que las velocidades

de los procesos directo e inverso de la reacción se igualan (lo que supone reversibilidad), logra alcanzar una relación constante entre las concentraciones y/o presiones de productos y reaccionantes (cociente de reacción). Esta relación invariable a dicha temperatura entre productos y reaccionantes, se conoce como constante de equilibrio (K). Estado de equilibrio, que puede ser modificado (o perdido) si son modificados ciertos parámetros del sistema (concentraciones de sustancias, presiones parciales, temperatura, etc.) bajo fuerzas externas.

Los seres vivos son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con el ambiente. Cuando en un ser vivo ocurre un proceso determinado, la energía que se pierde o se disipa es igual a la que gana el ambiente.En este aspecto relacionaremos los cambios de clima con la capacidad de

resistencia del escalador para absorber los cambios climatológicos a diferentes alturas de la montaña.

En climatología el uso de modelos es imprescindible para hacer pronósticos meteorológicos y para intentar prever las consecuencias de los posibles cambios climáticos a medio y largo plazo. El problema está en que la realidad es tan compleja que ni aun usando los más potentes ordenadores se puede reproducir con fidelidad.

Ley cero de la termodinámica

La temperatura es una de las variables termodinámicas que se requiere medir, lo cual se hace por medio de los instrumentos conocidos como termómetros, cuyo funcionamiento se basa en el cambio de alguna propiedad física, como la longitud, el volumen, la resistencia eléctrica o el color. En este caso usamos la medición de las temperaturas para identificar los grados a la intemperie en los que se esta, al momento de estar a Cierta altura del popo ya que el clima y las condiciones del volcán cambian a diferentes alturas del popo.

Equilibrio térmico

Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en equilibrio térmico cuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro.

Formula del equilibrio térmico

Ecuación no. 3

Q= m1cp1 (T2-T1) = m2cp2 (t2-t1)

Donde m es la masa de uno de los componentes o fluidos (kg), cp es la capacidad calorífica, T es la temperatura (°c) del fluido o sustancia mas caliente, t es la temperatura

Diagramas de equilibrio-sistemas binarios

Análisis térmico-curvo de enfriamiento

Se denominan análisis térmicos al estudio de la variación de la temperatura de un metal o aleación mediante su calentamiento o enfriamiento

Con cantidades d calor constante por unidad de tiempo tenemos una elevación continua de temperatura, siempre que este no sufra ninguna transformación.

Ley de los gases ideales

El estudio de los gases es importante, entre otras razones porque vivimos inmersos en un gas ¿cuál es ese gas?, efectivamente, es la atmósfera; ésta se extiende a muchos kilómetros por encima de la superficie de la Tierra, no tiene una superficie definida, como el agua de los océanos, y su densidad

es variable, ya que disminuye con la altura. El fin de conocer estos datos es para saber la variación de gas en diferentes alturas de la montaña y también el tipo de gas que esta produciendo el volcán al momento de escalarloEcuación general de los gases

Ecuación no. 4

Partiendo de la ecuación de estado Tenemos que donde R es la constante universal de los gases ideales, luego para dos estados del mismo gas 1 y 2 para una misma masa gaseosa(por tanto, el numero de moles “n” es constante), podemos afirmar que existe una constante directamente proporcional a la presión y volumen del gas, e inversamente proporcional a su temperatura

Trabajo respiratorio:

Esta parte ayudara al escalador a tener cuidado y evitar daños a su salud en cuestión de presión, respiración y ritmo cardiaco Los cambios de volumen y presión en la caja torácica pueden medirse en términos de trabajo • Presión (P) x Volumen (L) = g/cm2 x cm3 =g x cm (fuerza x distancia= trabajo)Este trabajo representa el 4 % de la energía que se consume.Trabajo respiratorio y leyes de los gases ideales

Ley de Boyle:

El volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión:   P α 1/V. Las variaciones del volumen de la caja torácica hacen que las presiones cambien permitiendo la entrada o salida de aire

Ley de Charles

El volumen ocupado por un gas es proporcional a la temperatura absoluta   (V α T): en la inspiración se expande el volumen del aire por calentamiento al paso por las mucosas

Conclusiones

Al realizar un resumen de las actividades para escalar el Popocatépetl, se han identificaremos algunos sistemas termodinámicos, por lo cual nos damos cuenta que los sistemas termodinámicos no solo los podemos aplicar o encontrar en maquinarias o aparatos que intercambien energía en cualquiera de sus formas, sino que también los sistemas termodinámicos los encontramos en nuestro entorno   en nuestras actividades diarias yen nuestro mismo cuerpo y el tener el conocimiento de estos datos nos hace saber que nuestro entorno y nosotros mismos estamos ligado con la termodinámica, solamente hay que tener visión para distinguir y relacionar todo nuestro entorno y Para saber en qué parte de la termodinámica se encuentra la actividad que se está realizando.

• Describe con claridad la situación o tema que se trabajará: el entorno, el escalador y/o el escalador-entorno la situación que se trabajara será el entorno.

• Identifica el o los problemas a resolver.

Los problemas a resolver son entre otras cosas la inclinación del volcán, la velocidad del viento, el cambio de temperatura (variación del clima), la presión, la altura, las fumarolas de cenizas y las posibles erupciones del volcán.

• Identifica los modelos que usarás para resolver el o los problemasModelos matemáticos para resolver problemas en sistemas de termodinámica aplicados al popo.

• Modelo del metabolismo

El cuerpo humano puede ser considerado como un sistema termodinámico abierto, que debe mantener su temperatura constante de 37ºC, a pesar de encontrarse en un entorno de temperatura generalmente inferior que se puede tomar como una media de 15ºC. Por otra parte está continuamente intercambiando materia y energía con sus alrededores (metabolismo), consumiendo energía para desarrollar los trabajos internos y externos, y para fabricar moléculas estables (anabolismo) para lo cual necesita alimentarse, ingiriendo moléculas de gran energía libre (nutrición) que a partir de determinadas reacciones de combustión dan lugar a productos de menor energía (catabolismo).

Según la actividad desarrollada, la tasa metabólica (TM), será diferente.

Actividad) TM(W/kg kJ/h

Senderismo   4 992

Escalada 9,9 2500

Andar rápido 5 1250

Correr   15 3780

Estar de pie 2,6 650

Termorregulación: un organismo vivo como el ser humano es considerado como un sistema termodinámico abierto en estado aproximadamente

estacionario, existe transferencia de energía y de materia hacia el medio, pero a pesar de ello la temperatura se mantiene constante, es decir la cantidad de calor que se produce en nuestro cuerpo (termogénesis) se iguala con la cantidad de calor que se pierde (termólisis).

• Balance energético, ley cero de la termodinámica,

Balance energético: esto nos ayuda a saber cuánta energía se necesita para escalar el Popocatépetl, es la relación entre el consumo de energía y la energía que el organismo necesita, para mantener el equilibrio la energía consumida debe ser igual a la utilizada.

Ley cero de la termodinámica

La temperatura es una de las variables termodinámicas que se requiere medir, lo cual se hace por medio de los instrumentos conocidos como termómetros, cuyo funcionamiento se basa en el cambio de alguna propiedad física, como la longitud, el volumen, la resistencia eléctrica o el color. T1 = T2

Equilibrio

En este caso usamos la medición de las temperaturas para identificar los grados a la intemperie en los que se esta, al momento de estar a Cierta altura del popo ya que el clima y las condiciones del volcán cambian a diferentes alturas del popo.

Equilibrio térmico

Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en equilibrio térmico cuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro.Formula del equilibrio térmico

Ecuación no. 3

Q= m1cp1 (T2-T1) = m2cp2 (t2-t1)

Donde m es la masa de uno de los componentes o fluidos (kg), cp es la capacidad calorífica, T es la temperatura (°c) del fluido o sustancia más caliente, t es la temperatura

Catabolismo y anabolismo

Catabolismo y anabolismo. Las reacciones catabólicas liberan energía; un ejemplo es la glucolisis, un proceso de degradación de compuestos como la glucosa, cuya reacción resulta en la liberación de la energía retenida en sus enlaces químicos. Las reacciones

Anabólicas, en cambio, utilizan esta energía liberada para recomponer enlaces químicos y construir componentes de las células como lo son las proteínas y los ácidos nucleicos. El catabolismo y el anabolismo son procesos acoplados que hacen al metabolismo en conjunto, puesto que cada uno depende del otro. La economía que la actividad celular impone sobre sus recursos obliga a

organizar estrictamente las reacciones químicas del metabolismo en vías o   rutas metabólicas, donde un compuesto químico (sustrato) es transformado en otro (producto), y este a su vez funciona como sustrato para generar otro producto, siguiendo una secuencia de reacciones bajo la intervención de diferentes enzimas (generalmente una para cada sustrato-reacción). Las enzimas son cruciales en el metabolismo porque agilizan las reacciones físico-químicas, pues hacen que posibles reacciones termodinámicas deseadas pero "desfavorables", mediante un acoplamiento, resulten en reacciones favorables. Las enzimas también se comportan como factores reguladores de las vías metabólicas, modificando su funcionalidad –y por ende, la actividad completa de la vía metabólica– en respuesta al ambiente y necesidades de la célula, o según señales de otras células.

La ley de los gases ideales

Es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética). Estonos servirá para al ir escalando calcular la densidad de los gases   como el oxigeno y los gases emanados por el volcán y también tiene relación con el sistema de respiración.

Ecuación general de los gases

Partiendo de la ecuación de estado   Tenemos que:   Donde R es la constante universal de los gases ideales, luego para dos estados del mismo gas 1 y 2   Para una misma masa gaseosa (por tanto, el numero de moles “n” es constante), podemos afirmar que existe una constante directamente proporcional a la presion y volumen del gas, e inversamente proporcional a su temperatura  

2. Con los conceptos de esta unidad Identifica cada uno de los sistemas termodinámicos del sistema.

Los sistemas termodinámicos que se describan pueden ayudar a elegir los utensilios necesarios para evitar cualquier contingencia al escalar el Popo, cada uno de estos dispositivos pueden ser: tipo de ropa, dispositivos electrónicos, etc. También los sistemas termodinámicos pueden incluir los bancos de nubes, el clima, etc.

Sistema abierto con en relación al entorno del volcán

Son los sistemas que presentan relaciones de intercambio con el ambiente, a través de entradas y salidas. Los sistemas abiertos intercambian materia y energía regularmente con el medio ambiente. Son eminentemente adaptativos, esto es, para sobrevivir deben reajustarse constantemente a las condiciones del medio. Es el que puede intercambiar materia y energía libremente con el entorno. La definición del sistema.

En esta parte se considera un sistema abierto el medio que rodea al volcán ya que tiene una frontera imaginaria y se considera de un estado de flujo uniforme,

porque son aquellos sistemas en los cuales el flujo que entra es diferente al que sale, por ejemplo el entorno al volcán pueden entrar corrientes de aire y al salir de la frontera puede salir humo o cenizas debido a que el volcán está produciendo estos efecto, la lluvia cae en el volcán pero sale en forma de vapor

Sistema abierto con en relación al volcán

El volcán es un sistema termodinámico abierto, de pared real que viene siendo la capa de tierra, roca que le da forma cónica de un estado de flujo uniforme porque este estado, el volcán para estar vivo su entrada de masa es por medio de fallas geológicas o por el constante movimiento de la tierra que   se van hacia el sub-suelo del cual por medio de canales o vías que van directo al volcán   de calienta se funde y después sale en forma de humo fumarolas o erupciones pero en material   o masa entrante no es la misma a la que sale por el   cráter del volcán , y hay ocasiones que el volcán hace erupción y en este caso la masa que sale es mayor a la que entra al volcán (sistema)

• Identifica las variables termodinámicas en cada uno de los sistemas. Se denominan variables termodinámicas a aquellas magnitudes termodinámicas asociadas a Un sistema en equilibrio termodinámico.

Variables del Sistema abierto con en relación al entorno y al volcán

Las variables que tienen relación con el estado interno de un sistema, se llaman variables termodinámicas o coordenadas termodinámicas, y entre ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son:

• La masa

• El volumen

• La densidad

• La presión

• La temperatura

Describe los cambios que ocurren en las variables termodinámicas en cada sistema planteado.

Variables de composición:

Especifican can la cantidad de cada uno de los componentes. Por ejemplo, la

masa de cada uno o el número de moles, en este caso la densidad del oxigeno variara de acuerdo a la relación altura –temperatura del medio ambiente, la presión también variara de acuerdo a la altura que se tenga en el volcán, temperatura también varia al ir acercándose al cráter del colca (altura)

Variables mecánicas:

Son aquellas que proceden de una interacción mecánica, como presión, volumen, pero también aquellas que proceden de otras ramas de la Física como el Electromagnetismo (intensidad del campo eléctrico o magnético, etc.).En este caso también la fatiga del escalador variara porque de acuerdo a la ley de la gravedad si subes tienes que realizar un esfuerzo mayor a que si vas de bajada.

Variables térmicas:

Son las que surgen de los postulados propios de la Termodinámica o combinaciones de estas con variables mecánicas, en este caso la combinación del esfuerzo de escalar y las condiciones del clima y el volcán se conjugan para llevar a cavo esta variable.

• Describe el comportamiento de los sistemas de acuerdo a la Ley Cero de la termodinámica.

Ley cero: equilibrio térmico y temperatura

El sistema de un volcán está en contacto con un sistema exterior que es su entorno, Dos sistemas el   volcán e intemperie pueden estar aislados el uno del otro y del entorno a ellos a través de paredes adiabáticas. Ambos sistemas pueden estar en estados diferentes y el cambio que experimenta uno no tiene efecto en el otro esto se da cuando el volcán esta estable y no tiene erupciones, no arroja fumarolas es decir cuando esta inactivo por tal motiva no hay interacción   o alteración entre los dos sistemas (volcán e intemperie). Ahora, si la pared que separa a los sistemas A y B es sustituida por una pared diatérmica, se establece un flujo de energía en forma de calor esto seria al exhalar fumarolas o una erupción del volcán en este caso saldría la energía en forma de calor con masa fundida   . El intercambio de energía permite que las variables macroscópicas de ambos sistemas del volcán y la intemperie cambien. Los cambios ocurren hasta que en ambos sistemas las variables macroscópicas se hacen constantes. Cuando esto ocurre decimos que ambos sistemas están en equilibrio térmico.

• Plantea una solución parcial a tu problema.

• Obtener la temperatura optima para poder escalar.

• Saber la altura del Popocatépetl.

• Saber   los cambios de temperatura a cada cierta altura.

• La presión atmosférica que se maneja en las diferentes alturas.

• Tener un conocimiento del clima, del día y la hora que se piensa escalar.

• Saber la temperatura exterior que tiene la pared del volcán.

• Saber la densidad de los vapores a cada altura del Popocatépetl, para poder tener la visión requerida.

• Saber la actividad del volcán para la fecha de la escalada.

Con   todos estos datos podremos obtener que tipo de ropa, herramienta y tiempo necesario para realizar dicha actividad.

Bibliografía:J.D. van der Waals. Tesis de posgrado Sobre la Continuidad de los Estados Líquido y Gaseoso. Universidad de Leiden. (1873)

G. Soave. Equilibrium constants for a modified Redlich-Kwong equation of state. Chem. Eng. Sci. 27 (1972) 1197–1203.

Termodinámica Química. Juan A. Rodríguez Renuncio, Juan J. Ruiz Sánchez, José S. Urieta Navarro, Editorial Síntesis

Dietrich Martin et alii, Manual de metodología del entrenamiento deportivo, Editorial Paidotribo, Barcelona, 2001.

es.scribd.com/.../Voceto-de-Evidencia-Termodinamica-webdelprofesor.ula.ve/ciencias/wbarreto/fisica21/.../

Termodinamica-en-Del-Ejercicio-Fisico                                                                           http://www.news-medical.net/health/Metabolism-Thermodynamics-(Spanish).aspx                   http://rojointenso.net/foros/index.php?showtopic=7038                                               redalyc.uaemex.mx/src/inicio/ArtPdfRed.j

Alumno

Alvizo Zúñiga Primitivo

AL12505243