TERMODINÁMICA Y MAQUINAS TÉRMICAS

TERMODINÁMICA

• Es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de la temperatura, presión y volumen de los sistemas físicos a un nivel macroscópico. Aproximadamente, calor significa "energía en tránsito" y dinámica se refiere al "movimiento", por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo la energía infunde movimiento.

CONCEPTOS

• La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado.

• La energía que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna.

Calor: El calor es el proceso de transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).

CONCEPTOS

• “La energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma”. De este modo, la cantidad de energía inicial es igual a la final.

• “La energía se degrada continuamente hacia una forma de energía de menor calidad (energía térmica)”. Dicho de otro modo, ninguna transformación se realiza con un 100% de rendimiento, ya que siempre se producen unas pérdidas de energía térmica no recuperable. El rendimiento de un sistema energético es la relación entre la energía obtenida y la que suministramos al sistema.

ENERGÍA:

En la termodinámica están:

Energía interna, que es la suma de la energía mecánica de las partículas constituyentes de un sistema.

(Energía geotérmica), que es la energía liberada en forma de calor, obtenida de la naturaleza

Energía térmica mediante la combustión.

PROCESO ADIABÁTICO

Proceso Adiabático a aquél en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isoentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante, se denomina proceso isotérmico.

ENTROPIA

La entropía física, en su forma clásica, está definida por la ecuación siguiente:

o, más simplemente, cuando no se produce variación de temperatura (proceso isotérmico):

donde S es la entropía, la cantidad de calor intercambiado entre el sistema y el entorno y T la temperatura absoluta en kelvin. Los números 1 y 2 se refieren a los estados iniciales y finales de un sistema termodinámico.

En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que permite, mediante cálculo, determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo.

Cuando un sistema termodinámico pasa, en un proceso reversible e isotérmico, del estado 1 al estado 2, el cambio en su entropía es igual a la cantidad de calor intercambiado entre el sistema y el medio dividido por su temperatura absoluta.

ENTALPIA.

• Ecuación

Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.

LEYES DE LA TERMODINÁMICA

• Principio cero

• Primera ley…. Termo.

• Segunda ley…. Termo.

• Tercera ley…. Termo.

Principio cero

• Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado. Tiene una gran importancia experimental «pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema» pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica.

• TEMPERATURA TIENE SENTIDO.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

• También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica «en realidad el primer principio dice más que una ley de conservación», establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará

• CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA.

ECUACIÓN PRIMERA LEY

• Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

• Positivo para el trabajo y el calor entregado al sistema.

• Negativo para el trabajo y el calor cedido por el sistema.

ESQUEMA

La variación en la energía interna de un sistema es igual a la diferencia entre el calor tomado por el sistema y el trabajo realizado por el sistema.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

• Esta ley cambia la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen).

• También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas.

• ENTROPIA

MAQUINA TÉRMICA IDEAL

• En una maquina ideal todo lo que entra tiene que salir.

𝑇0

𝑇1=𝑄0

𝑄1

𝑄1

𝑇1=𝑄0

𝑇0

𝑇0=Temperatura foco frio

𝑇0=Temperatura para que funcione la maquina.

Rendimiento

ɳ= 1 −𝑄𝑓

𝑄𝑐

• 𝑄𝑐= Calor tomado.

• 𝑄𝑓= Calor desperdiciado.

ENTROPÍA MAQUINA IDEAL

Máquina ideal que conserva la entropía y la energía.

• Entropía = 𝑆1 =𝑄1

𝑇1

• Entropía =𝑆2 =𝑄0

𝑇0

MAQUINA REAL

W = 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝑄𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜

Con la misma temperatura, la real produce menos trabajo que la maquina de Carnot, realiza menos trabajo y desprende mas calor.

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Carnot diagrama de presión Vs Volumen

(1) Expansión isotérmica. Se parte de una situación en que el gas ocupa el volumen mínimo Vmin a la temperatura T2 y a presión alta. 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. El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre el pistón. Dado que la temperatura permanece constante durante esta parte del ciclo, el gas no cambia su energía interna y todo el calor absorbido de T1 se convierte en trabajo:

Carnot diagrama de presión Vs Volumen

(2) Expansión adiabática. La expansión isotérmica termina en un punto tal que el resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T2 en el momento en que el pistón alcanza el punto máximo de su carrera y el gas alcanza su volumen máximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizado por el gas proviene de su energía interna:

Carnot diagrama de presión Vs Volumen

(3) Compresión isotérmica. Se pone en contacto con el cilindro la fuente de calor de temperatura T1 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Durante esta parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas pero, como la temperatura permanece constante, la energía interna no cambia y el trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente T2:

Carnot diagrama de presión Vs Volumen

(4) Compresión adiabática. La fuente T2 se retira en el momento adecuado para que durante el resto de la compresión el gas eleve su temperatura hasta alcanzar exactamente el valor T1 al mismo tiempo que el volumen del gas alcanza su valor mínimo Vmin. Durante esta etapa no hay intercambio de calor y el trabajo realizado sobre el gas se convierte en energía interna:

Ciclo Carnot diagrama de Presión Vs Volumen

Ciclo Carnot diagrama de

Temperatura Vs Entropía Desde el punto de vista de la entropía, ésta aumenta en este proceso: por definición, una variación de entropía viene dada por el cociente entre el calor transferido y la temperatura de la fuente en un proceso reversible:

Como el proceso es efectivamente reversible, la entropía aumentará.

Ciclo Carnot diagrama de

Temperatura Vs Entropía

Esta vez, al no haber transferencia de calor, la entropía se mantiene constante:

Ciclo Carnot diagrama de

Temperatura Vs Entropía

Al ser el calor negativo, la entropía disminuye:

Ciclo Carnot diagrama de

Temperatura Vs Entropía

Al ser un proceso adiabático, no hay transferencia de calor, por lo tanto la entropía no varía:

TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

• Esta ley afirma que es imposible alcázar una temperatura igual al cero absoluto mediante un numero finito de procesos físicos.

• Puede formularse también como que a medida que sistema dado, se aproxima al cero absoluto su entropía tiende a un valor constante especifico.

• HAY UNA TEMPERATURA TAN BAJA QUE NO SE PUEDE ALCANZAR.

TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

• Al llegar al cero absoluto, 0 K, cualquier proceso de un sistema físico se detiene.

• Al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y constante.

PROCESOS

• Endotérmico: Un proceso es descrito como endotérmico cuando la energía de calor es absorbida, aumentando la energía interna del sistema

• Exotérmico: Un proceso exotérmico resulta cuando la energía de calor es liberada, disminuyendo la energía interna del sistema.

Próxima clase

Ciclos termodinámico de todos los motores y

procesos Politropicos