TERMODINAMICA MI

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

Tambin conocida comoprincipiodeconservacin de la energapara la termodinmica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien ste intercambia calor con otro, laenerga internadel sistema cambiar.Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energa necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entretrabajoy energa interna. Fue propuesta porNicolas Lonard Sadi Carnoten1824, en su obraReflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las mquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinmica. Esta obra fue incomprendida por los cientficos de su poca, y ms tarde fue utilizada porRudolf ClausiusyLord Kelvinpara formular, de una manera matemtica, las bases de la termodinmica.La ecuacin general de la conservacin de la energa es la siguiente:

Que aplicada a la termodinmica teniendo en cuenta elcriterio de signos termodinmico, queda de la forma:

Donde U es la energa interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.La termodinmica estudia el calor y los fenmenos trmicos. En esta rama de la fsica el mundo se divide en sistemas. Concretamente podramos llamar a un sistema aqul conjunto de varios cuerpos, que se escoge o asla para estudiarlo, tal como el gas, ya que todo lo dems entran a formar parte del entorno.

laspropiedades intensivasson aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamao de un cuerpo, por lo que el valor permanece inalterable al subdividir el sistema inicial en varios subsistemas, por este motivo no son propiedades aditivas.Por el contrario, laspropiedades extensivasson aquellas ques dependende la cantidad de sustancia o del tamao de un cuerpo, son magnitudes cuyo valor es proporcional al tamao del sistema que describe. Estas magnitudes pueden ser expresadas como la suma de las magnitudes de un conjunto de subsistemas que formen el sistema original.

1.- Cul es el incremento en la energa interna de un sistema si se le suministran 700 caloras de calor y se le aplica un trabajo de 900 Joules?Solucin:El problema indica que se le estn suministrando 700 caloras de calor, eso quiere decir queser positivo, por otra parte nos dice que al sistema se le aplicar un trabajo de 900 Joules, aqu el signo detendr que ser negativo, puesto que se la estn aplicando al sistema.Sabiendo ese anlisis podemos dar solucin al problema de la siguiente forma:Vamos a convertir las 700 caloras de calor en Joules. Por qu? Porque el S.I (Sistema Internacional) de medida as lo estandariza.

Recordar queporque como dijimos,al sistema se le est aplicando un trabajo. Ahora conforme a la frmula de la primera ley de la termodinmica, iniciemos a sustituir.

despejando

Sustituyendo

Ese sera el resultado de nuestro incremento en la energa interna.Veamos otro ejemplo, para entender a grandes rasgos la primer ley de la termodinmica2.- Suponga que un sistema pasa de un estado a otro, intercambiando energa con su vecindad. Calcule la variacin de energa interna del sistema en los siguientes casos:a)El sistema absorbe 100 cal y realiza un trabajo de 200 J.b)El sistema absorbe 100 cal y sobre l se realiza un trabajo de 200 J.c)El sistema libera 100 cal de calor a la vencidad (alrededor), y sobre l se realiza un trabajo de 200 J.##a)Para iniciar a resolver este inciso, debemos entender lo que nos pide.+El sistema absorbe 100 cal , que convertiremos en Joules.+El sistema realiza el trabajo de 200 J.Convertimos lo que que absorbe el sistema:

Ahora esto nos indica que por frmula tendremos:

Observamos que la energa interna del sistema aumenta considerablemente a 218 J.b)Para este caso analizamos de la siguiente manera el inciso.+El sistema absorbe 100 cal-El trabajo fue realizado sobre el sistema 200JPor frmula tenemos:

Por lo que ahora, tenemos 618 Joules, y observamos un gran incremento de la energa interna.Y finalmente el ltimo inciso.c)En este caso el sistema hace las dos versiones distintas al inciso a), pues aqu tenemos el siguiente anlisis.-El sistema libera 100 cal [Se convierte a Joules]-Se le aplica un trabajo sobre el sistema de 200 JPor frmula tendramos algo as:

Vemos que la energa del sistema disminuye considerablemente, y esto es lgico puesto que nada ms recibi 200 J de energa y a su vez estaba liberando 418 Joules.

Ley de los gases idealesLaley de los gases idealeses laecuacin de estadodelgas ideal, un gas hipottico formado por partculas puntuales, sin atraccin ni repulsin entre ellas y cuyos choques son perfectamente elsticos (conservacin de momentoyenerga cintica). La energa cintica es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal. Losgases realesque ms se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gasesmonoatmicosen condiciones de baja presin y alta temperatura.Forma comn DE LA ECUACION DE ESTADOLaecuacinque describe normalmente la relacin entre la presin, el volumen, la temperatura y la cantidad (enmoles) de un gas ideal es:

Donde: =Presin absoluta =Volumen =Molesdegas =Constante universal de los gases ideales =Temperatura absolutaEcuacin general de los gases idealesPartiendo de la ecuacin 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 nmero de moles n es constante), podemos afirmar que existe una constante directamente proporcional a lapresinyvolumendel gas, e inversamente proporcional a sutemperatura.

EJEMPLO DE LA LEY DE LSO GASES IDEALES EN DOS MOMENTOS DISTINTOS DENTRO DE UN SISTEMA.a presion del nitrogeno gaseoso en un tanque de 12L a 27c es 2400Lb/pulg2. qu Volumen tendr el gas en ese mismo tanque a una presion de 1800Lb/pulg2, si la tempreatura permanece constante?

R Y n son constantes en un proceso de gas ideal, por tanto se eliminan del calculo DESPEJANDO; =

SISTEMAS TERMODINAMICOSUnsistema termodinmico(tambin denominadosustancia de trabajo) se define como la parte del universo objeto de estudio. Un sistema termodinmico puede ser una clula, una persona, el vapor de una mquina de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un motor trmico, la atmsfera terrestre, etc.El sistema termodinmico puede estar separado del resto del universo (denominadoalrededores del sistema) por paredes reales o imaginarias. En este ltimo caso, el sistema objeto de estudio sera, por ejemplo, una parte de un sistema ms grande. Las paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes (llamadasparedes adiabticas) o permitir el flujo de calor (diatrmicas).Los sistemas termodinmicos pueden seraislados,cerradosoabiertos. Sistema aislado: es aqul que no intercambia ni materia ni energa con los alrededores. Sistema cerrado: es aqul que intercambia energa (calorytrabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante). Sistema abierto: es aqul que intercambia energa y materia con los alrededores.En la siguiente figura se han representado los distintos tipos de sistemas termodinmicos.

A lo largo de estas pginas trataremos lossistemas cerrados.Cuando un sistema est aislado y se le deja evolucionar un tiempo suficiente, se observa que lasvariables termodinmicasque describen su estado no varan. La temperatura en todos los puntos del sistema es la misma, as como la presin. En esta situacin se dice que el sistema est enequilibrio termodinmico.Equilibrio termodinmicoEn Termodinmica se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinmico cuando lasvariables intensivasque describen su estado no varan a lo largo del tiempo.Cuando un sistema no est aislado, el equilibrio termodinmico se define en relacin con los alrededores del sistema. Para que un sistema est en equilibrio, los valores de las variables que describen su estadodeben tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores. Cuando un sistema cerrado est en equilibrio, debe estar simultneamente enequilibrio trmicoymecnico. Equilibrio trmico: la temperatura del sistema es la misma que la de los alrededores. Equilibrio mecnico: la presin del sistema es la misma que la de los alrededores.

Dominar el concepto de trabajo y calor.Elcalorse define como la transferencia deenerga trmicaque se da entre diferentescuerposo diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintastemperaturas, sin embargo en termodinmica generalmente el trmino calor significa transferencia de energa. Este flujo de energa siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren enequilibrio trmico(ejemplo: una bebida fra dejada en una habitacin se entibia).La energa calrica o trmica puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son laradiacin, laconducciny laconveccin, aunque en la mayora de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sinoenerga trmica. La energa existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energa se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.

Calor y temperatura

Calor

Al aplicar calor, sube la temperatura.

El calor es una cantidad de energa y es una expresin del movimiento de las molculas que componen un cuerpo.Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso los objetos ms fros poseen algo de calor porque sus tomos se estn moviendo.(Ver:Termodinmica, Tercera Ley)TemperaturaLa temperatura es lamedida del calorde un cuerpo (y no lacantidad de calorque este contiene o puede rendir).Diferencias entre calor y temperaturaTodos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo, esto no es as. El calor y la temperatura estn relacionadas entre s, pero son conceptos diferentes.Como ya dijimos, el calor es la energa total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energa. El calor depende de la velocidad de las partculas, de su nmero, de su tamao y de su tipo. La temperatura no depende del tamao, ni del nmero ni del tipo.Por ejemplo, si hacemos hervir agua en dos recipientes de diferente tamao, la temperatura alcanzada es la misma para los dos, 100 C, pero el que tiene ms agua posee mayor cantidad de calor.

Misma temperatura, distinta cantidad de calor.

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si aadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye.La temperatura no es energa sino una medida de ella; sin embargo, el calor s es energa.Cambios de estadoEn la naturaleza existen tres estados usuales de la materia: slido, lquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, esta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce comoCambios de estado. Los posibles cambios de estado son:-de estado solid a liquido, llamado fusin.-de estado liquido a solid, llamado solidificacin.-de estado liquido a gaseoso, llamado vaporizacin-de estado gaseoso a liquido, llamado condensacin-de estado solid a gaseoso, llamado sublimacin progresiva.-de estado gaseoso a slido, llamado sublimacin regresiva.

LEYES DE LA TERMODINAMICALey Cero de la TermodinmicaA esta ley se le llama de "equilibrio trmico". El equilibrio trmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura.Esta ley dice "Si dos sistemas A y B estn a la misma temperatura, y B est a la misma temperatura que un tercer sistema C, entonces A y C estn a la misma temperatura". Este concepto fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado hasta despus de haberse enunciado las otras tres leyes. De ah que recibe la posicin cero.Un ejemplo de la aplicacin de esta ley lo tenemos en los conocidos termmetros.Primera Ley de la TermodinmicaEsta primera ley, y la ms importante de todas,tambin conocida comoprincipio de conservacin de la energa,dice: "La energa no puede ser creada ni destruida, slo puede transformarse de un tipo de energa en otro".

Trabajo y energa.

La primera ley de la termodinmica da una definicin precisa del calor, y lo identifica como una forma de energa. Puede convertirse en trabajo mecnico y almacenarse, pero no es una sustancia material.Experimentalmente se demostr que el calor, que originalmente se meda en unidades llamadascaloras, y el trabajo o energa, medidos enjulios, eran completamente equivalentes. Una calora equivale a 4,186 julios.Ver: PSU: Fsica;Pregunta 14_2005(1)Segunda Ley de la TermodinmicaLa segunda ley dice que "solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno que tiene menor temperatura". Al respecto, siempre se observa que el calor pasa espontneamente de los cuerpos calientes a los fros hasta quedar a la misma temperatura.La segunda ley de la termodinmica da, adems, una definicin precisa de una propiedad llamadaentropa(fraccin de energa de un sistema que no es posible convertir en trabajo).Para entenderla, la entropa puede considerarse como una medida de lo prximo o no que se halla un sistema al equilibrio; tambin puede considerarse como una medida del desorden (espacial y trmico) del sistema.Pues bien, esta segunda ley afirma que "la entropa, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuracin de mxima entropa, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio"(Ver:Procesos reversibles e irreversibles en la Naturaleza).

El cero absoluto implicara falta total de movimiento atmico.

Como la entropa nunca puede disminuir, la naturaleza parece pues "preferir" el desorden y el caos. Puede demostrarse que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una regin de temperatura ms baja a una regin de temperatura ms alta.Tercera Ley de la TermodinmicaEl tercer principio de la termodinmica afirma que "el cero absoluto no puede alcanzarse por ningn procedimiento que conste de un nmero finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a l".Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinmica son slo generalizaciones estadsticas, vlidas siempre para los sistemas macroscpicos, pero inaplicables a nivel cuntico.Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservacin de la energa, es una de las ms slidas y universales de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por la ciencia.PROCESOS TERMODINAMICO

Procesos IsoSon los procesos cuyas magnitudes permanecen "constantes", es decir que el sistema cambia manteniendo cierta proporcionalidad en su transformacin. Se les asigna el prefijoiso-.Ejemplo: Isotrmico: proceso a temperatura constante Isobrico: proceso a presin constante Isomtricooisocrico: proceso a volumen constante Isoentlpico: proceso aentalpaconstante Isoentrpico: proceso aentropaconstante

Procesos politrpicosLosprocesos politrpicosson aquellos procesos termodinmicos paragases idealesque cumplen con la ecuacin:dondees un nmero dado. Para el caso de procesos adiabticos,es igual a, el cual es un valor especfico para cada sustancia. Este valor se puede encontrar en tablas para dicho caso.

CICLOS DE CARNOTEl ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad decalorQ1de la fuente de alta temperatura, cede un calor Q2a la de baja temperatura produciendo untrabajosobre el exterior. Elrendimientoviene definido por

EJEMPLOSUna mquina trmica reversible con un rendimiento del 30% y cuyo foco fro se encuentra a 107C, cede una cantidad de calor de 120 kcal a dicho foco fro durante cada ciclo. Determina la temperatura y el calor cedido por el foco caliente.

CICLO RANKINE

Analicemos ms despacio las etapas del ciclo:

Imgaen 19.monografias. Copyright

En la transformacin 1-2 aumenta la presin del lquido sin prdidas de calor, por medio de un compresor, con aportacin de un trabajo mecnico externo. En la transformacin 2-3 se aporta calor al fluido a presin constante en una caldera, con lo que se evapora todo el lquido elevndose la temperatura del vapor al mximo. La transformacin 3-4 es una expansin adiabtica, con lo que el vapor a alta presin realiza un trabajo en la turbina. La transformacin 4-1consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presin constante en el condensador hasta volver a convertirlo en lquido, y comenzar de nuevo el ciclo.Para optimizar el aprovechamiento del combustible, se somete al fluido a ciertos procesos, para tratar de incrementar el rea encerrada en el diagrama p-V. Precalentamiento del agua comprimida 4-5 aprovechando el calor de los gases que salen por la chimenea de la caldera. Con esto no se aumenta el rea del diagrama, pero se reduce el calor que hay que introducir al ciclo. Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina 5-6 hacindolo pasar por la caldera y despus por otra turbina de baja presin.