Fisica. Electricidad y magnetismo. 9 Ed. Raymond A. Serway y Jonh W. Jewett Jr.
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1RA Y 2DA LEY DE LA TERMODINÁMICA M. En C. José Antonio González Moreno Máquinas Térmicas Mayo del 2015
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1RA Y 2DA LEY DE LA
TERMODINÁMICA
M. En C. José Antonio González Moreno
Máquinas Térmicas
Mayo del 2015
INTRODUCCIÓN:
En esta presentación se estudiarán los enunciadoscorrespondientes a la 1ra y 2da Ley de laTermodinámica, además de explicar matemáticamentelos conceptos relacionados con éstas leyes y realizar unaserie de ejercicios. Finalmente se presentan lasconclusiones y las preguntas para los alumnos al final deltema.
ANTECEDENTES:
Hasta alrededor de 1850, la termodinámica y la
mecánica se consideraban como dos ramas distintas de
la ciencia.
La ley de conservación de la energía parecía describir
únicamente ciertos tipos de sistemas mecánicos.
Sin embargo, los experimentos de mediados del siglo XIX,
realizados por el ingles James Joule y otros, demostraron
una fuerte conexión entre la transferencia de energía
mediante calor en los procesos térmicos y la
transferencia de energía por trabajo en los procesos
mecánicos, se hizo necesario establecer una serie de
criterios en este ámbito que después se volvieron Leyes
de la Termodinámica.
DESARROLLO DEL TEMA:La primera Ley de la Termodinámica, es un caso especial
de la ley de conservación de energía que describe
procesos que sólo cambian la energía interna (ΔU o ΔE) y
las únicas transferencias de energía son mediante calor
(Q) y trabajo (W), es decir:
DESARROLLO DEL TEMA:A partir de la Expresión anterior, se pueden establecer 3
criterios importantes:
1) Si el Balance es Positivo: El trabajo realizado es
eficiente y excede el calor generado por el proceso.
2) Si el Balance es Negativo: La pérdida de Calor excede
el trabajo ganado o realizado.
3) Si el Balance es Cero: Significa que tanto el Trabajo
realizado, como el calor generado son iguales en
magnitud.
DESARROLLO DEL TEMA:Un sistema termodinámico
podría intercambiar energía
con su entorno (ambiente)
mediante calor, trabajo o
ambos y se estipula una
convención de signos para Q y
W, es decir:
DESARROLLO DEL TEMA:En un proceso termodinámico, la energía interna (ΔU) de
un sistema puede a) aumentar (ΔU > 0), b) disminuir (ΔU <
0) o c) permanecer sin cambio aparente (ΔU = 0).
DESARROLLO DEL TEMA:Trabajo realizado al cambiar el volumen:
DESARROLLO DEL TEMA:Cuando un sistema se somete a un cambio infinitesimal
de estado en el que una cantidad pequeña de energía
(dQ) se transfiere mediante calor y una cantidad
pequeña de trabajo (dW) se invierte, la energía interna
(ΔE) cambia en una cantidad pequeña (dEint), debido a
lo anterior, para procesos infinitesimales es posible
expresar la primera ley de la termo, como sigue:
DESARROLLO DEL TEMA:Tipos de Procesos Termodinámicos:
1) Proceso adiabático: se define un proceso adiabático
como aquel donde no entra ni sale calor del sistema: Q =
0. Se puede evitar el flujo de calor ya sea rodeando el
sistema con material térmicamente aislante o realizando
el proceso con tal rapidez que no haya tiempo para un
flujo de calor apreciable.
En la expansión adiabática libre de un gas, Q = 0 y W = 0,
de modo que ΔU = 0. Esto es, la energía interna del gas
no cambia en tal proceso.
DESARROLLO DEL TEMA:Tipos de Procesos Termodinámicos:
2) Proceso Isocórico: Se efectúa en un sistema en el cual,
el volumen permanece constante. Si el volumen de un
sistema termodinámico es constante, no efectúa trabajo
sobre su entorno; por lo que W = 0 y se tiene que:
:entonces Constante, es V Si
Volumen) (Presión VP E Energía
Energía Trabajo que a Debido
DESARROLLO DEL TEMA:Tipos de Procesos Termodinámicos:
3) Proceso Isobárico: Un proceso isobárico se efectúa a
presión constante. En general, ninguna de las tres
cantidades: ΔU, Q y W es cero en un proceso isobárico,
pero aún así es fácil calcular W:
El trabajo invertido en un gas en tal proceso es:
DESARROLLO DEL TEMA:Tipos de Procesos Termodinámicos:
4) Proceso Isotérmico: Un proceso isotérmico se efectúa atemperatura constante. Para ello, todo intercambio decalor con el entorno debe efectuarse con tal lentitudpara que se mantenga el equilibrio térmico. En general,ninguna de las cantidades ΔU, Q o W es cero en unproceso isotérmico. Se tiene entonces que:
DESARROLLO DEL TEMA:Se concluye que la energía interna ΔUint de un sistema
aislado permanece constante, es decir:
Para el caso de un Proceso Cíclico, se tiene:
Para el caso de un Proceso Adiabático, se tiene:
Para el caso de un Proceso Isobárico, se tiene:
Para el caso de un Proceso Isocórico, se tiene:
DESARROLLO DEL TEMA:Cuatro procesos distintos para una cantidad constante
de gas ideal, todos parten del estado a. Para el proceso
adiabático, Q = 0; para el isocórico, W = 0; y para el
isotérmico, ΔU = 0. La temperatura sólo aumenta durante
la expansión isobárica, es decir:
SEGUNDA LEY DE LA
TERMODINÁMICA:
Explicado de forma concisa la 1ra Ley
de la “Termo”, ahora se explicarán los
términos que conlleva la 2da ley y sus
limitantes, así como sus aplicaciones.
SEGUNDA LEY DE LA “TERMO”:La segunda ley de la termodinámica, establece cuálesprocesos se presentan y cuáles no.
Los siguientes son ejemplos de procesos que no violan laprimera ley de la termodinámica si ellos siguen su cursoen cualquier dirección, aunque en realidad se observaque siguen su curso sólo en una dirección:
EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA TÉRMICA:Una máquina térmica es un dispositivo que toma energía
por calor y al funcionar en un proceso cíclico, expulsa
una fracción de dicha energía mediante trabajo. Es decir:
EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA TÉRMICA:
EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA TÉRMICA:Se puede pensar en la eficiencia como la proporción
de lo que gana (el trabajo) a lo que da (transferencia
de energía a la mayor temperatura).
En la práctica, todas las
máquinas térmicas sólo
expulsan una fracción de
la energía de entrada (Qh)
por trabajo mecánico; en
consecuencia, su
eficiencia siempre es
menor que el 100%.
EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA TÉRMICA:Entonces, una máquina térmica con eficiencia perfectatendría que expulsar toda la energía de entradamediante trabajo. Ya que las eficiencias de los motoresreales están muy por abajo de 100% (Motores agasolina 20%, motores Diesel 35 – 40%), la forma deKelvin–Planck de la segunda ley de la termodinámicaestablece lo siguiente:
CICLO DE CARNOT:
En 1824 un ingeniero francés
llamado Sadi Carnot
describió una máquina
teórica, ahora llamada
máquina de Carnot. El
demostró que una máquina
térmica que funciona en un
ciclo reversible ideal,
llamado ciclo de Carnot,
entre dos depósitos de
energía es la máquina más
eficiente posible.
CICLO DE CARNOT:Tal máquina ideal establece un límite superior sobre las
eficiencias de todas las otras máquinas. Esto es: el
trabajo neto realizado, en el ciclo de Carnot, por una
sustancia de trabajo es la mayor cantidad de trabajo
posible para una cantidad determinada de energía
suministrada a la sustancia a la temperatura superior.
El teorema de Carnot se puede establecer del modo
siguiente:
CONCLUSIONES:Al analizar la 1ra y 2da Ley de la Termodinámica, secomprende el por qué se presentan muchas “deficienciasen las Máquinas Térmicas”.
El calcular la eficiencia de una máquina tiene que ser muyexplícito en base a qué se va a medir la eficiencia de dichoartefacto.
Finalmente, se tendrá que buscar otro tipo de conversión deenergía en el que sea mayor la cantidad de trabajorealizado que la pérdida de calor hacia los alrededores, conel fin de incrementar el desempeño de las futuras máquinasmecánicas.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:1) Raymond A. Serway y John W. Jewett, Jr. Física para
ciencias e ingeniería. Volumen 1. 7ma edición. Ed.
Cengage Learning Editores, México, 2008.
2) Paul Tipler and Gene Mosca. Physics for Scientists and
Engineers. 6th Edition. Freeman and Company Press.
New York, 2008.
3) Young, Hugh D. y Roger A. Freedman. Física
universitaria volumen 1. 12da edición. Pearson
Educación, Mexico, 2009.
4) Paul E. Tippens. Física, Conceptos y aplicaciones. 7ma
edición. Ed. McGraw-Hill, México, 2011.
PREGUNTAS DE REPASO:1.- Antes de 1850 ¿Qué ciencias se consideraban que eran
muy apartadas y que no tenían mucho en común?
R = La Termodinámica y la Mecánica
2.- ¿En qué siglo Joule realizó sus experimentos de relación dela Termo y la Mecánica?
R = En el s. XIX
3.- ¿Cuál es el enunciado de la 1ra Ley de la Termodinámica?
R = En Cualquier proceso termodinámico, el Calor Netoabsorbido por un sistema es igual a la suma del TrabajoNeto que éste realiza más el cambio en su Energía Interna.
PREGUNTAS DE REPASO:4.- En el balance de la 1ra Ley de la Termo, ¿Qué
significa un resultado negativo?
R = Significa que la pérdida de Calor excede el
trabajo ganado o realizado
5.- Explique la Convención de Signos de la Primera Ley
de la Termo:
PREGUNTAS DE REPASO:6.- Cuando en un Sistema se agrega más calor que el
trabajo efectuado, ¿Qué energía tiende a aumentar?
R = La Energía Interna (ΔU).
7.- ¿Qué es un proceso Adiabático?
R = se define como aquel donde no entra ni sale calordel sistema.
8.- ¿Cómo se define un proceso isocórico?
R = Es aquel que se efectúa en un sistema en el cual,el volumen permanece constante.
9.- ¿Cómo se le llama al proceso que se efectúa apresión constante?
R = Proceso Isobárico.
PREGUNTAS DE REPASO:10.- ¿Cómo se define una máquina térmica?
R = Es un dispositivo que toma energía por calor y alfuncionar en un proceso cíclico, expulsa una fracción dedicha energía mediante trabajo.
11.- ¿Qué establece el enunciado de la 2da Ley de la Termo?
R = Que es imposible construir una máquina térmica queNo produzca otro efecto que la entrada de energía porcalor de un depósito y realice una misma cantidad detrabajo.
12.- ¿Por qué ninguna máquina térmica puede ser 100 %eficiente como la máquina de Carnot?
R = Porque No existe una máquina que funciona entre dosmedios de energía y que pueda ser más eficiente que unamáquina de Carnot.
