C.B.T.I.S. 214.

C.B.T.I.S. 214.

MAESTRO:CARLOS MANUEL GOMEZ SANCHEZMATERIA:FISICA

ALUMNOS:FRANCISCO JAVIER OSORIO FUENTESISSAC GALLEGOS DIAZ ODDET FABIAN VILLAMIL

AULA: 15

GRUPO: BCV

TEMA:PROCESOS TERMODINAMICOS

EXPRECION:Lo definimos como el campo de la fsica que describe y relaciona las propiedades fsicas de sistemas macroscpicos de materia y energa. Los principios de la termodinmica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniera.

INTRODUCCION:Un concepto esencial de la termodinmica es el de sistema macroscpico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscpico en equilibrio puede describirse mediante propiedades medibles como la temperatura, la presin o el volumen, que se conocen como variables termodinmicas. Es posible identificar y relacionar entre s muchas otras variables (como la densidad, el calor especfico, la compresibilidad o el coeficiente de expansin trmica), con lo que se obtiene una descripcin ms completa de un sistema y de su relacin con el entorno.Cuando un sistema macroscpico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinmico. Las leyes o principios de la termodinmica, descubiertos en el siglo XIX a travs de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los lmites de todos los procesos termodinmicos.

DESARROLLO

Principio Cero de la termodinmicaFrecuentemente, el vocabulario de las ciencias empricas se toma prestado del lenguaje de la vida diaria. As, aunque el trmino de temperatura parece evidente para el sentido comn, su significado adolece de la imprecisin del lenguaje no matemtico. El llamado principio cero de la termodinmica que se explica a continuacin proporciona una definicin precisa, aunque emprica, de la temperatura.Si dos cuerpos se encuentran en equilibrio trmico con un tercero, entonces estn en equilibrio trmico entre sCuando dos sistemas estn en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad puede medirse, y se le puede asignar un valor numrico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinmica, que afirma que si dos sistemas distintos estn en equilibrio termodinmico con un tercero, tambin tienen que estar en equilibrio entre s. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura.Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito situado a una determinada temperatura, el sistema acabar alcanzando el equilibrio termodinmico con su entorno, es decir, llegar a tener la misma temperatura que ste. (El llamado entorno infinito es una abstraccin matemtica denominada depsito trmico; en realidad basta con que el entorno sea grande en relacin con el sistema estudiado).La temperatura se mide con dispositivos llamados termmetros. Un termmetro contiene una sustancia con estados fcilmente identificables y reproducibles, por ejemplo el agua pura y sus puntos de ebullicin y congelacin normales. Si se traza una escala graduada entre dos de estos estados, la temperatura de cualquier sistema puede determinarse ponindolo en contacto trmico con el termmetro, siempre que el sistema sea grande en relacin con el termmetro.El siglo pasado se enunci el primer principio de la termodinmica o principio de conservacin de la energa. Puede enunciarse as: La energa puede transformarse de calor en trabajo o de trabajo en calor, siendo constante su relacin de equivalencia. Es la conocida relacin de 4 185 julios por calora. Esta primera ley de la termodinmica da una definicin precisa del calor, otro concepto de uso corriente.Esta ley establece que la energa total de un sistema cerrado se conserva constantemente. En todos los procesos la energa simplemente se convierte de una forma a otra, o se transfiere de un sistema a otro.Matemticamente se establece la primera ley as:Donde Q es el calor transferido al sistema; U el cambio en energa interna (que resulta en el aumento o la disminucin de la temperatura) y W es el trabajo externo realizado por el sistema.Cuando un sistema se pone en contacto con otro ms fro que l, tiene lugar un proceso de igualacin de las temperaturas de ambos. Para explicar este fenmeno, los cientficos del siglo XVIII conjeturaron que una sustancia que estaba presente en mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura flua hacia el cuerpo de menor temperatura. Segn se crea, esta sustancia hipottica llamada calrico era un fluido capaz de atravesar los medios materiales. Por el contrario, el primer principio de la termodinmica identifica el calrico, o calor, 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 llamadas caloras, y el trabajo o energa, medidos en julios, eran completamente equivalentes. Una calora equivale a 4,186 julios.El primer principio es una ley de conservacin de la energa. Afirma que, como la energa no puede crearse ni destruirse dejando a un lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia entre masa y energa la cantidad de energa transferida a un sistema en forma de calor ms la cantidad de energa transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energa interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energa entre s.El segundo principio, enunciado en 1851 por lord Kelvin, afirma que es imposible realizar una transformacin cuyo nico resultado sea la conversin en trabajo del calor extrado de una sola fuente a temperatura uniforme. El principio puede exponerse de diferentes formas. Pero la limitacin que impone es que la transformacin slo es posible si se toma energa de un foco caliente y parte de ella se devuelve a un foco ms fro. La diferencia entre la energa tomada y la devuelta es la energa trmica que se ha transformado en trabajo. Es decir, slo es aprovechable una parte de la energa tomada del foco caliente. La segunda ley de la termodinmica da una definicin precisa de una propiedad llamada entropa. 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.La 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. 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.Se introduce as un concepto conocido como rendimiento del ciclo termodinmico, que es la relacin entre el trabajo conseguido y la energa trmica puesta en juego en el foco de mayor temperatura. La energa no aprovechada, que no ha podido ser transformada en trabajo, se libera en forma de calor, pero a una temperatura ms baja que la original. Este segundo principio es la manifestacin de que en un ciclo termodinmico no es posible volver al estado inicial. Los procesos termodinmicos naturales son irreversibles. Para recuperar la energa trmica original a la temperatura original sera necesario aportar energa desde fuera del sistema. No es posible elevar la temperatura del foco fro sin un aporte de energa exterior. Esta observacin se enuncia como el teorema de Clausius, segn el cual existe una funcin de estado, que depende slo de la situacin y no del camino como se ha llegado a l, que crece en todo proceso termodinmico irreversible. Esta funcin se llama entropa y es una medida de la irreversibilidad acumulada en el proceso.El segundo principio impone una condicin adicional a los procesos termodinmicos. No basta con que se conserve la energa y cumplan as el primer principio. Una mquina que realizara trabajo violando el segundo principio se denomina mvil perpetuo de segunda especie, ya que podra obtener energa continuamente de un entorno fro para realizar trabajo en un entorno caliente sin coste alguno. A veces, el segundo principio se formula como una afirmacin que descarta la existencia de un mvil perpetuo de segunda especie.

Ciclos termodinmicosTodas las relaciones termodinmicas importantes empleadas en ingeniera se derivan del primer y segundo principios de la termodinmica. Resulta til tratar los procesos termodinmicos basndose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original despus de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinmicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energa interna de un sistema no puede cambiar, puesto que slo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema.Un motor trmico de eficiencia perfecta realizara un ciclo ideal en el que todo el calor se convertira en trabajo mecnico. El cientfico francs del siglo XIX Sadi Carnot, que concibi un ciclo termodinmico que constituye el ciclo bsico de todos los motores trmicos, demostr que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor trmico pierde parte del calor suministrado. El segundo principio de la termodinmica impone un lmite superior a la eficiencia de un motor, lmite que siempre es menor del 100%. La eficiencia lmite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot

Ciclo de CarnotEl ciclo ideal de Carnot fue propuesto por el fsico francs Sadi Carnot, que vivi a principios del siglo XIX. Una mquina de Carnot es perfecta, es decir, convierte la mxima energa trmica posible en trabajo mecnico. Carnot demostr que la eficiencia mxima de cualquier mquina depende de la diferencia entre las temperaturas mxima y mnima alcanzadas durante un ciclo. Cuanto mayor es esa diferencia, ms eficiente es la mquina. Por ejemplo, un motor de automvil sera ms eficiente si el combustible se quemara a mayor temperatura o los gases de escape salieran a menor temperatura.El tercer principio de la termodinmica se enuncia como la variacin de entropa asociada a cualquier proceso termodinmico tiende a cero cuando la temperatura tiende al cero absoluto. Es decir, siempre que la temperatura sea superior al cero absoluto (-273 C) se producirn procesos termodinmicos irreversibles con crecimiento de entropa.Las consecuencias de estas limitaciones son claras: todos los procesos termodinmicos enfran el universo. La energa trmica es una energa ms degradada cuanto menor es la temperatura del medio que la sustenta. A menor temperatura, su potencial de ser transformada en trabajo es menor. Por otro lado, a menor temperatura, la energa acumulada en una cierta cantidad de masa es menor. Se requiere ms masa para acumular una cierta cantidad de energa.El segundo principio sugiere la existencia de una escala de temperatura absoluta con un cero absoluto de temperatura. El 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.

Fundamentos Microscpicos de la termodinmicaEl descubrimiento de que toda la materia est formada por molculas proporcion una base microscpica para la termodinmica. Un sistema termodinmico formado por una sustancia pura puede describirse como un conjunto de molculas iguales, cada una de las cuales tiene un movimiento individual que puede describirse con variables mecnicas como la velocidad o el momento lineal. En ese caso, debera ser posible, al menos en principio, calcular las propiedades colectivas del sistema resolviendo las ecuaciones del movimiento de las molculas. En ese sentido, la termodinmica podra considerarse como una simple aplicacin de las leyes de la mecnica al sistema microscpico.Los objetos de dimensiones normales, a escala humana, contienen cantidades inmensas de molculas (del orden de 1024). Suponiendo que las molculas fueran esfricas, haran falta tres variables para describir la posicin de cada una y otras tres para describir su velocidad. Describir as un sistema macroscpico sera una tarea que no podra realizar ni siquiera la mayor computadora moderna. Adems, una solucin completa de esas ecuaciones nos dira dnde est cada molcula y qu est haciendo en cada momento. Una cantidad tan enorme de informacin resultara demasiado detallada para ser til y demasiado fugaz para ser importante.Por ello se disearon mtodos estadsticos para obtener los valores medios de las variables mecnicas de las molculas de un sistema y deducir de ellos las caractersticas generales del sistema. Estas caractersticas generales resultan ser precisamente las variables termodinmicas macroscpicas. El tratamiento estadstico de la mecnica molecular se denomina mecnica estadstica, y proporciona a la termodinmica una base mecnica.Desde la perspectiva estadstica, la temperatura representa una medida de la energa cintica media de las molculas de un sistema. El incremento de la temperatura refleja un aumento en la intensidad del movimiento molecular. Cuando dos sistemas estn en contacto, se transfiere energa entre sus molculas como resultado de las colisiones. Esta transferencia contina hasta que se alcance la uniformidad en sentido estadstico, que corresponde al equilibrio trmico. La energa cintica de las molculas tambin corresponde al calor, y, junto con la energa potencial relacionada con las interacciones entre las molculas, constituye la energa interna de un sistema.La conservacin de la energa, una ley bien conocida en mecnica, se transforma en el primer principio de la termodinmica, y el concepto de entropa corresponde a la magnitud del desorden a escala molecular. Suponiendo que todas las combinaciones de movimientos moleculares son iguales de probables, la termodinmica demuestra que cuanto ms desordenado sea el estado de un sistema aislado, existen ms combinaciones que pueden dar lugar a ese estado, por lo que ocurrir con una frecuencia mayor. La probabilidad de que se produzca el estado ms desordenado es abrumadoramente mayor que la de cualquier otro estado. Esta probabilidad proporciona una base estadstica para definir el estado de equilibrio y la entropa.Por ltimo, la temperatura puede disminuirse retirando energa de un sistema, es decir, reduciendo la intensidad del movimiento molecular. El cero absoluto corresponde al estado de un sistema en el que todos sus componentes estn en reposo. Sin embargo, este concepto pertenece a la fsica clsica.Segn la mecnica cuntica, incluso en el cero absoluto existe un movimiento molecular residual. Un anlisis de la base estadstica del tercer principio se saldra de los lmites de esta discusin.

EntalpaCantidad de energa de un sistema termodinmico que ste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reaccin qumica a presin constante, el cambio de entalpa del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reaccin. En un cambio de fase, por ejemplo de lquido a gas, el cambio de entalpa del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporizacin. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpa por cada grado de variacin corresponde a la capacidad calorfica del sistema a presin constante. El trmino de entalpa fue acuado por el fsico alemn Rudolf J.E. Clausius en 1850. Matemticamente, la entalpa se define como:Donde U es la energa interna, p es la presin y V es el volumen. H de un sistema y se mide julios.En una reaccin qumica realizada a presin constante el cambio de entalpa mediada es el cambio en la energa interna mas el trabajo realizado por el cambio de volumen:

EntropaMedida del desorden de un sistema fsico, y por tanto de su proximidad al equilibrio trmico.Smbolo S: En cualquier sistema sometido a un cambio reversible, el cambio de entropa se define como el calor absorbido, dividido por la temperatura termodinmica:Se dice que un Sistema dado tiene una cierta entropa aun cuando raras veces se usan entropas absolutas. Lo verdaderamente importante es el cambio en entropa. La entropa de un sistema mide la habilidad de energa para realizar trabajo, en cualquier cambio real (irreversibles) en un sistema cerrado, la entropa aumenta aun cuando no cambia la energa total del sistema (Primera Ley de Termodinmica), la energa disponible es menor - como consecuencia de la Segunda Ley de Termodinmica.El concepto de entropa se ha ampliado para abarcar la idea general del desorden - Cuanto ms alta la entropa mas desordenado es el sistema. Por ejemplo en una reaccin qumica que incluya polimerizacin puede tener una disminucin de entropa por hay cambio a un sistema ms ordenado. La definicin Trmica de entropa es un caso especial de esta idea de desorden - aqu la entropa mide como la energa transferida se distribuye entre las partculas de la materia.

CONCLUCION Los procesos termodinmicos son los responsables finales de todos los movimiento dentro de la atmosfera. Cuando se estudia un sistema meteorolgico particular, se asume que la energa se conserva para ese sistema.