Taller # 3Termodinamica

1) Concepto de termodinámica:Es la parte de la física que se encarga de estudiarlas relaciones existentes entre el calor y el trabajo, especialmente el calor queproduce un cuerpo para realizar trabajo. Por consiguiente, los mecanismosdestinados a transformar energía calorífica en mecánica toman el nombre demáquinas térmicas.

2)Dimensiones y unidades

Cualquier cantidad física se caracteriza mediante dimensiones. Las magnitudesasignadas a las dimensiones de llaman unidades. Algunas dimensiones básicas, comomasa m, longitud L, tiempo T se seleccionan como dimensiones primarias ofundamentales, mientras que otras como la velocidad V, energía E, y el volumen seexpresan en términos de las dimensiones primarias y se llaman dimensiones secundariaso dimensiones derivadas.

Con el paso de los años se han creado varios sistemas de unidades. En la actualidad sonde uso común dos sistemas: el sistema ingles y el SI métrico, también llamado sistemainternacional, el cual esta basado en una relación decimal entre las distintas unidades.

Las siete dimensiones fundamentales(o primarias) y sus unidades en el SI

|Dimensión |Unidad ||Longitud |metro (m) ||Masa |kilogramo (kg) ||Tiempo |segundo (s) ||Temperatura |kelvin (K) ||Corriente Eléctrica |ampere (A) ||Cantidad Luminosa |candela (cd) ||Cantidad de Materia |mol (mol) |

3)Defina:–Temperatura:La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en unasustancia. Como lo que medimos en sus movimiento medio, la temperatura no depende del número departículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por ejemplo, la temperatura de un cazo deagua hirviendo es la misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, apesar de que la olla seamucho más grande y tenga millones y millones de moléculas de agua más que el cazo.-Energía térmica:La energía térmica o calorífica es la parte de energía interna de un sistema

termodinámico en equilibrio que es proporcional a su temperatura absoluta y se incrementa o disminuye por transferencia de energía, generalmente en forma de calor o trabajo, en procesos termodinámicos. A nivel microscópico y en el marco de la Teoría cinética, es el total de laenergía cinética media presente como el resultado de los movimientos aleatorios de átomos y moléculas o agitación térmica, que desaparecen en el cero absoluto.-Calorimetria: La calorimetría es la ciencia de medir el calor de las reacciones químicas o de los cambiosfísicos. El instrumento utilizado en calorimetría se denomina calorímetro. La palabra calorimetría deriva del latino "calor". El científico escocés Joseph Black fue el primero en reconocer la distinción entre calor y temperatura, por esto se lo considera el fundador de calorimetría.Fue mediante calorimetría que Joule calculó el equivalente mecánico del calor demostrando con sus experiencias que 4.18 J de cualquier tipo de energía equivalen a 1 caloría.La calorimetría indirecta calcula el calor que producen los organismos vivos mediante su producción de dióxido de carbono y de los residuos de nitrógeno (frecuentemente amoníaco en organismos acuáticos o, también, urea en los terrestres). Antoine de Lavoisier indicó en 1780 que la producción de calor puede ser calculada por el consumo de oxígeno de los animales. Naturalmente, el calor generado por los organismos vivos también puede ser medido por calorimetría directa, en la cual el organismo entero es colocado en el interior del calorímetro para hacer las mediciones.-Dilatacion de cuerpos: Todos los cuerpos materiales (sólidos, líquidos y gaseosos)experimentan una dilatación de su volumen cuando aumenta su temperatura interna.Dependiendo de la sustancia, cada una posee diferente comportamiento, el cual se registra conun coeficiente de dilataciónespecífico para cada material. A excepción de los gases, sepresentan tres tipos de dilatación para cuerpos sólidos y líquidos:

DILATACIÓN SUPERFICIAL

Es el incremento del área (Segunda Dimensión) de un cuerpo en forma plana por su aumentointerno de temperatura. Se llamaCoeficiente de Dilatación Superficial (KS) al incremento delárea que experimenta la unidad de superficie al aumentar su temperatura en 1°C.

El coeficiente de dilatación superficial KS es igual al doble del coeficiente de dilatación lineal delmismo material, o sea:

KS = 2*K

Su fórmula es:

AF: Área final

AO: Área InicialTF: Temperatura finalTO: Temperatura inicial

DILATACIÓN CÚBICA

Es el incremento del volumen (Tercera Dimensión) de un cuerpo en forma de un sólidogeométrico por su aumento interno de temperatura. Se llama Coeficiente de DilataciónCúbico (KC) al incremento del volumen que experimenta la unidad de volumen al aumentar sutemperatura en 1°C.

El coeficiente de dilatación cúbico KC es igual al triple del coeficiente de dilatación lineal delmismo material, o sea:

KC = 3 * K

Su fórmula es:

VF: Volúmen finalVO: Volúmen InicialTF: Temperatura finalTO: Temperatura inicial

VARIACIÓN DE LA DENSIDAD

Aunque cambie el volumen de un cuerpo por una dilatación cúbica, su masa permanececonstante, variando sólo su densidad. Este cambio se determina por la fórmula:

dF: Densidad finaldO: Densidad Inicial

K: Coeficiente de dilatación de la sustanciaTF: Temperatura finalTO: Temperatura inicial

DILATACIÓN ANORMAL DEL AGUA

Normalmente, cuando disminuye la temperatura de un líquido, éste se contrae de acuerdo conel principio de la dilatación cúbica. Sin embargo, existe una gran excepción con el agua, ya que:

El agua se contrae cuando su temperatura aumenta desde 0°C hasta 4°C.

Luego de los 4°C, el agua se comporta de forma normal, aumentando su volumen según seincremente la temperatura. Por lo tanto: Elagua líquida tiene su mayor densidad a los 4°C y no alos 0°C como era de esperarse.

Esto trae como consecuencia que:

El agua es la única sustancia en la que el hielo puede flotar sobre el líquido, debido aque el hielo es menos denso que el agua.

Gracias a esta importante propiedad por ejemplo: El agua de los lagos sólo se congela en lasuperficie cuando llega el invierno, conservando dentro del estanque agua líquida, que mantienela vida de los pecesy animales que lo habitan.

Nota: Sólo una décima parte del hielo se asoma afuera de la superficie del agua; el resto semantiene sumergido.

4) Leyes de la termodinámica :Ley cero de la termodinámica

El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variablesempíricas usadas para definir un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización,magnetización, tensión lineal, tensión superficial, entre otras) no son dependientes del tiempo. A dichasvariables empíricas (experimentales) de un sistema se les conoce como coordenadas termodinámicas delsistema.

A este principio se le llama del equilibrio termodinámico. Si dos sistemas A y B están en equilibriotermodinámico, y B está en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C están a suvez en equilibrio termodinámico. Este principio es fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue

formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe laposición

Primera ley de la termodinámica

También conocido como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si serealiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistemacambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debeintercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta porAntoine Lavoisier.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

Eentra − Esale = ΔEsistema

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de laforma:

Segunda ley de la termodinámica

Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, laimposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en elagua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, laimposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, LaSegunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarsea cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando laexistencia de una magnitud física llamada entropía tal que, para un sistema aislado (que no intercambiamateria ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde loscuerpos a temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja.

Tercera ley de la termodinámica

La Tercera de las leyes de la termodinámica, propuesto por Walther Nernst, afirma que es imposiblealcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puedeformularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropíatiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cerobajo temperaturas iguales al cero absoluto. No es una noción exigida por la Termodinámica clásica, así quees probablemente inapropiado tratarlo de “ley”.

Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo generalizacionesestadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel cuántico. Eldemonio de Maxwell ejemplifica cómo puede concebirse un sistema cuántico que rompa las leyes de laTermodinámica.

Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la energía, es la más sólida yuniversal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por la ciencia.5) Aplicaciones termodinámica* En la construcción de edificaciones, en especial de las estructuras metálicas se tiene que tomar encuenta sus propiedades al dilatarse o contraerse con los cambios de temperatura del ambiente.* En el estudio de los cambios de fase de las diferentes sustancias.* En la construcción de máquinas térmicas, por ejemplo: motores que funcionan con combustible,refrigeradoras ...El estudio del rendimiento de reacciones energéticas.El estudio de la viabilidad de reacciones químicas.El estudio de las propiedades térmicas de los sistemas (dilataciones, contracciones y cambios de fase).Establece rangos delimitados de los procesos posibles en función de leyes negativas.