PADRE DE LA NANOTECNOLOGIA

Cuaderno de Actividades: Fsica I

11) 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.

Elprimer principio de la termodinmicaoprimera ley de la termodinmica,se define como:

En un sistema cerradoadiabtico(que no hay intercambio de calor con otros sistemas o su entorno como si estuviera aislado) que evoluciona de un estado iniciala otro estado final, el trabajo realizado no depende ni del tipo detrabajoni del proceso seguido.

Ms formalmente, esteprincipiose descompone en dos partes;

El principio de la accesibilidad adiabtica

El conjunto de los estados de equilibrio a los que puede acceder unsistema termodinmicocerrado es, adiabticamente, unconjunto simplemente conexo.

y un principio de conservacin de la energa:

Eltrabajode la conexin adiabtica entre dos estados de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos estados conectados.

PROCESO TERMODINMICO

Enfsica, se denominaproceso termodinmicoa la evolucin de determinadasmagnitudes(o propiedades) propiamente termodinmicasrelativas a un determinadosistema termodinmico. Desde el punto de vista de la termodinmica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado deequilibrioinicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variacin al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinmicos pueden ser interpretados como el resultado de lainteraccinde un sistema con otro tras ser eliminada algunaligaduraentre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecnico, trmico y/o material) entre s.

De una manera menos abstracta, un proceso termodinmico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unascondiciones inicialeshasta otrascondiciones finales, debido a la desestabilizacin del sistema.

TIPOS DE PROCESOS

Procesos Iso

Son 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 politrpicos

Losprocesos politrpicosson aquellos procesos termodinmicos para gases 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.

11.1) 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.11.2) 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-finales 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 263

Mg. Percy Vctor Caote Fajardo

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