PADRE DE LA NANOTECNOLOGIA

Cuaderno de Actividades: Fsica II

6) Conservacin de la energa, 1ra Ley de la Termodinmica6) Conservacin de la energa, 1ra Ley de la Termodinmica

Experimentaremos como en un sistema fsico se pueden producir diversas transformaciones de energa que involucren calor, energa trmica, energa interna, energa mecnica o, como es posible virtud al calor, bajo determinadas condiciones, hacer que un sistema realice trabajo, esto es, como un sistema es capaz de hacer trabajo. En todos los casos es posible plantear la conservacin de la energa, que en termodinmica constituye su 1ra Ley.6.1) Calor y Energa trmica en sistemas termodinmicosUn sistema termodinmico ser un sistema fsico que podr especificarse usando ciertas variables macro o microscpicas, usaremos en general, las variables macroscpicas (p, V, T, U) para describir el estado de estos sistemas.En el contexto energtico, las energas asociadas a los sistemas termodinmicos son,

i) Energa interna, es la energa propia del sistema asumido estacionario.

ii) Energa trmica, parte de la energa interna que depende de la T.iii) Calor, energa trmica transferida por diferencia de Ts.En cuanto a que en diversos procesos se ha observado conversin de EM en Q (energa trmica), es adecuado contar con una relacin adecuada que permita hacer la conversin, esa expresin la obtuvo James Joule con su notable experimento, hall lo que actualmente se conoce como equivalente mecnico de la calora,

? Represente en un sistema gaseoso poco denso las diversas formas de energa.? Describa el experimento de James Joule.6.2) Trabajo y Calor en procesos termodinmicos.Especificar el estado de los sistemas termodinmicos puede depender de diversas consideraciones, por ejemplo, de la naturaleza del sistema. Usaremos mayoritariamente un sistema gas constituido por un solo tipo de molcula (gas ideal), que adems se encuentre en equilibrio trmico interno, es decir, que cada punto del sistema se encuentre a los mismos valores de p y T.

Un proceso termodinmico es una secuencia continua de estados, por los que atraviesa el sistema, para transformarse de un estado inicial a otro final.

GAS T 1 (p1,V1,T1)

Proceso

V

p 2(p2, V2, T2)i) Trabajo, WSupongamos un gas contenido en un cilindro con mbolo mvil, en equilibrio, con valores de presin y volumen, p y V, respectivamente. Si se aade calor al gas de tal manera que se expanda lentamente, esto es, cuasiestticamente, para garantizar el equilibrio termodinmico del gas, entonces, el trabajo efectuado por el gas sobre el mbolo ser,

A

Fg Fe

x x

Por lo tanto, para calcular el W hecho por el gas (qu ser asumido +) se deber conocer . Una grafica p-V nos muestra al W hecho por el gas mediante el rea bajo la curva,

p i

pi

pf f

W

V vi vfAhora, un detalle importante en cuanto a la realizacin del W hecho por el gas, es que este depende solo del proceso, mas no de los estados i f. Se muestra a continuacin 2 curvas p-V entre los estados i-f que corroboran este hecho, p p

pi i pi i

f pf w2 f

pf

wi

vi vf V vi vf Vii) Calor, Q

El calor, forma de energa trmica, puede darse o extraerse de diversas formas para que el sistema evolucione del estado inicial al final, esto es, una vez ms, esta CFE no es una funcin de los estados i-f, si no, del camino (proceso) para pasar de i(f.

Por ejemplo, un gas ideal puede expandirse desde un Vi hasta un Vf, a , absorbiendo calor, pero, se puede lograr lo mismo con un gas ideal haciendo que su energa interna cambie sin recibir Q.

6.3) 1ra Ley de la Termodinmica, Conservacin de la Energa.Segn lo observado para W y Q, cada una de ellas dependen de la forma como se realice la transformacin del sistema entre los estados i ( f; la cantidad de calor (energa trmica) que se agrega a un sistema se puede transformar en trabajo hecho por el sistema y cambios en su energa interna, de igual modo ocurre con el trabajo realizado por (o sobre) el sistema. Esto es, si se considerara la energa Q-W sobre un sistema, de observaran 2 hechos importantsimos,j) Slo dependen de los estados inicial-final del sistema.jj) Provocan cambios de la energa interna del sistema, (U, haciendo que U slo dependa de los estados i-f.

De tal manera que, de acuerdo a la conservacin de la energa.,

En esta ecuacin, como ya se indic, la energa U esta vinculada al estado del sistema, esto es, podra usarse para caracterizarlo. U es una propiedad del sistema, lo define; ms an, no es tanto U si no (U la cantidad energtica importante. U es por lo tanto una funcin de estado.6.4) Procesos trmicos importantes.Describimos como un sistema termodinmico especial (gas ideal) se transforma del estado inicial al estado final, mediante la 1ra Ley de la termodinmica.

i) PT con sistema aislado

Q ( 0 y W ( 0 ( (U ( 0 ( Ui ( Uf

(ii) PT cclico

Estado i ( Estado f: (U ( 0 ( Q ( W(iii) PT Adiabtico

Q ( 0 ( (U ( -W

(Caso especial: Expansin libre adiabtica, W ( 0.

? Aplicaciones tecnolgicas de los PT adiabticos.iv) PT Isotrmico

T ( constante: (U ( 0 ( Q ( W ( nRT(expansin( (

Gas ideal

: pV ( nRT

v) PT isobtico

p ( constante: W ( p(V, (V ( Vf - Vi

(vi) PT isovolumtrico o isocoro

V ( constante: W ( 0 ( Q ( (U

(Observaciones: j) Los Ws sern +s si los realiza el sistema sobre los exteriores y los Qs sern +s cuando se entregan al sistema. Por consiguiente, cuando W es hecho sobre el sistema o Q sale del sistema se habrn de considerar s.

jj) Las ecuaciones ( y ( hacen indistinguibles a Q y W!

Esto es, nunca se podr distinguir microscpicamente si (U fue producida por Q o W.PAGE 261

Mg. Percy Vctor Caote Fajardo

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