1. PRIMERA LEY Ing. Luis David Narvez TERMODINMICA

2. SISTEMAS TERMODINMICOS Un sistema termodinmico es cualquier conjunto de objetos que conviene considerar como una unidad, y que podra intercambiar energa con el entorno. La termodinmica tiene sus races en muchos problemas prcticos aparte del inado de rosetas (palomitas) de maz. El motor de gasolina en un automvil, los motores a reaccin de un avin y los motores en los cohetes de un vehculo de lanzamiento usan el calor de la combustin del combustible para realizar trabajo mecnico e impulsar el vehculo. El tejido muscular de los organismos vivos metaboliza la energa qumica del alimento y realiza trabajo mecnico sobre el entorno del organismo. Una mquina o una turbina de vapor usa el calor de combustin del carbn u otro combustible para realizar trabajo mecnico, como al impulsar un generador elctrico o arrastrar un tren. 3. Trabajo realizado al cambiar el volumen En termodinmica, suele ser ms conveniente tomar W como el trabajo efectuado por el sistema, de modo que cuando un sistema se expanda, la presin, el cambio de volumen y el trabajo sean todos positivos. 4. SIGNOS DE CALOR Y TRABAJO Una molcula que golpea un pistn a) efecta trabajo positivo si el pistn se aleja de la molcula y b) efecta trabajo negativo si el pistn se acerca a la molcula. Por lo tanto, un gas efecta trabajo positivo cuando se expande como en a) pero trabajo negativo cuando se comprime como en b). Si la presin p permanece constante mientras el volumen cambia de V1 a V2 5. PROCESO ISOTRMICO Un gas de comportamiento ideal sufre una expansin isotrmica (a temperatura constante) a una temperatura T, durante la cual su volumen cambia de V1 a V2 . Cunto trabajo efecta el gas? Expansin isotrmica de gas ideal Ecuacin de estado: La presin p, el volumen V y la temperatura absoluta T de una cantidad dada de una sustancia se llaman variables de estado y estn relacionadas por una ecuacin de estado. Esa relacin implica nicamente estados de equilibrio, con p y T uniformes en todo el sistema. La ecuacin de estado del gas ideal relaciona p, V, T y el nmero de moles n a travs de una constante R que es la misma para todos los gases. 6. EXPANSIN LIBRE a) Expansin isotrmica lenta y controlada de un gas de un estado inicial 1 a un estado nal 2, con la misma temperatura pero menor presin. b) Expansin rpida, sin control, del mismo gas, partiendo del mismo estado 1 y terminando en el mismo estado 2. 7. ENERGA INTERNA 1era Ley Cuando se agrega calor Q a un sistema, una parte de esta energa agregada permanece en el sistema, modicando su energa interna en una cantidad; el resto sale del sistema cuando ste efecta un trabajo W contra su entorno 8. ENERGA INTERNA 1era Ley En un proceso termodinmico, la energa interna U de un sistema puede aumentar, disminuir o permanecer sin cambio. El cambio de energa interna de un sistema durante un proceso termodinmico depende slo de los estados inicial y nal, no de la trayectoria que lleva de uno al otro 9. PROCESOS CICLICOS Todos los das, nuestro cuerpo (un sistema termodinmico) realiza un proceso termodinmico cclico. Se agrega calor Q metabolizando alimento, y el cuerpo realiza un trabajo W al respirar, caminar y efectuar otras actividades. Si volvemos al mismo estado al nal del da, Q = W y el cambio neto de nuestra energa interna es cero. 10. ENERGA INTERNA 1era Ley - EJERCICIO Un estudiante se propone comer un mantecado de 900 caloras (con crema batida) y luego subir corriendo varios tramos de escaleras para quemar la energa que ingiri. A qu altura debe ascender? Suponga que la masa del estudiante es de 60.0 kg. Para quemar el postre 11. COMPARACIN DE PROCESOS TERMODINMICOS La grca pV de la gura muestra una serie de procesos termodinmicos. En el proceso ab, se agregan 150 J de calor al sistema; en el proceso bd, se agregan 600 J. Calcule a) el cambio de energa interna en el proceso ab; b) el cambio de energa interna en el proceso abd ; y c) el calor total agregado en el proceso acd 12. ENERGA INTERNA 1era Ley - EJERCICIO Un gramo de agua (1 cm3) se convierte en 1671 cm3 de vapor cuando se hierve a presin constante de 1 atm (1.013 x10^5 Pa). El calor de vaporizacin a esta presin es Lv = 2.256 x 10^6 J/kg. Calcule a) el trabajo efectuado por el agua al vaporizarse y b) su aumento de energa interna. Termodinmica del agua en ebullicin 13. PROCESO ADIABTICO No entra ni sale calor del sistema Cuando un sistema se expande adiabticamente, W es positivo (el sistema efecta trabajo sobre su entorno), as que U es negativo y la energa interna disminuye. Si un sistema se comprime adiabticamente, W es negativo (el entorno efecta trabajo sobre el sistema) y U aumenta. En muchos sistemas (aunque no en todos), el aumento de energa interna va acompaado por un aumento de temperatura; y una disminucin de energa interna, de un descenso en la temperatura 14. PROCESO ISOCRICO Se efecta a volumen constante. Si el volumen de un sistema termodinmico es constante, no efecta trabajo sobre su entorno En un proceso isocrico, toda la energa agregada como calor permanece en el sistema como aumento de energa interna. Calentar un gas en un recipiente cerrado de volumen constante es un ejemplo de proceso isocrico 15. PROCESO ISOBRICO Se efecta a presin constante Casi todos los procesos de coccin son isobricos, pues la presin del aire sobre una cazuela o sartn, o dentro de un horno de microondas, se mantiene prcticamente constante mientras se calienta la comida. 16. PROCESO ISOTRMICO Se efecta a temperatura constante Para ello, todo intercambio de calor con el entorno debe efectuarse con tal lentitud para que se mantenga el equilibrio trmico La energa interna de un sistema depende nicamente de su temperatura, no de su presin ni de su volumen Gas ideal 17. CAPACIDAD CALORFICA DE UN GAS IDEAL Suele ser ms fcil medir la capacidad calorca de un gas en un recipiente cerrado en condiciones de volumen constante. La cantidad correspondiente es la capacidad calorca molar a volumen constante, que se denota con Cv 18. CAPACIDAD CALORFICA DE UN GAS IDEAL En el caso de slidos y lquidos, tales mediciones generalmente se realizan en la atmsfera a presin atmosfrica constante, y llamamos a la cantidad correspondiente capacidad calorca molar a presin constante, Cp. 19. Relacin entre Cp. y Cv.- Gas ideal La capacidad calorca molar del gas ideal a presin constante es mayor que a volumen constante; la diferencia es la constante de los gases R 20. Capacidades calorficas molares de gases a baja presin 21. RECORDATORIO Para el gas ideal, el cambio de energa interna en cualquier proceso est dado por U = nCvT, sea constante el volumen o no 22. Relacin entre Cp. y Cv.- Gas ideal. Ejercicio Una recmara comn contiene unos 2500 moles de aire. Calcule el cambio de energa interna de esta cantidad de aire cuando se enfra de 23.9 C a 11.6 C a presin constante de 1.00 atm. Trate el aire como gas ideal con =1.400. Enfriamiento de una habitacin 23. PROCESO ADIABTICO GAS IDEAL 24. PROCESO ADIABTICO GAS IDEAL Compresin adiabtica en un motor a diesel La razn de compresin de un motor a diesel es de 15 a 1; esto implica que el aire de los cilindros se comprime a de su volumen inicial. Si la presin inicial es de 1.01 x 10 ^5 Pa y la temperatura inicial es de 27 C (300 K), calcule la presin y temperatura finales despus de la compresin. El aire es en su mayora una mezcla de oxgeno y nitrgeno diatmicos; trtelo como gas ideal con =1.40.