TERMODINAMICA.Karol Daniela León C.

Luisa Fernanda Ortiz R.

Lina Yeseni Salgado B.

11.1

TERMODINAMICA.

• La Termodinámica es la rama de la Física que trata

del estudio de las propiedades materiales de los

sistemas macroscópicos y de la interconversión de

las distintas formas de energía. Los sistemas que son

objeto del estudio de la Termodinámica se

denominan Sistemas Termodinámicos.

SISTEMAS• Se puede definir un sistema como un conjunto de materia,

que está limitado por una superficie, que le pone el observador, real o imaginaria. Si en el sistema no entra ni sale materia, se dice que se trata de un sistema cerrado, o sistema aislado si no hay intercambio de materia y energía, dependiendo del caso. En la naturaleza, encontrar un sistema estrictamente aislado es, por lo que sabemos, imposible, pero podemos hacer aproximaciones. Un sistema del que sale y/o entra materia, recibe el nombre de abierto. Ponemos unos ejemplos:

• Un sistema abierto: se da cuando existe un intercambio de masa y de energía con los alrededores; es por ejemplo, un coche. Le echamos combustible y él desprende diferentes gases y calor.

• Un sistema cerrado: se da cuando no existe un intercambio de masa con el medio circundante, sólo se puede dar un intercambio de energía; un reloj de cuerda, no introducimos ni sacamos materia de él. Solo precisa un aporte de energía que emplea para medir el tiempo.

• Un sistema aislado: se da cuando no existe el intercambio ni de masa y energía con los alrededores; ¿Cómo encontrarlo si no podemos interactuar con él? Sin embargo un termo lleno de comida caliente es una aproximación, ya que el envase no permite el intercambio de materia e intenta impedir que la energía (calor) salga de él. El universo es un sistema aislado, ya que la variación de energía es cero.

DIMENCIONES Y UNIDADES.• Cualquier medida física tiene dimensiones y debe ser

expresada en las uni-dades correspondientes a estas

dimensiones de acuerdo con un sistema de unidades

particular. Dimensión es el nombre que se le da a las

cantidades físicas: longitud, masa, tiempo, etc. Unidad

es la medida de la dimensión; por ejemplo, pie, metro, y

milla son unidades de la dimensión longitud. Expresar

una aceleración como 9,8 no tiene sentido; si se agrega

la unidad correspondiente de un determinado sistema y

se dice por ejemplo que la aceleración es 9,8 m/s 2,

esta información adquiere sentido. Para trabajos

científicos y de ingeniería, deben usarse las unidades de

medida del Sistema internacional de unidades (S.I.).

• Cada sistema escoge un grupo de dimensiones fundamentales (de acuerdo con un patrón estricto y reproducible) y las unidades asignadas a estas dimensiones son unidades básicas. Las unidades asignadas a aquellas dimensiones que no pertenezcan al grupo escogido recibirán el nombre de unidades derivadas. Por ejemplo, si un sistema escoge la longitud como dimensión fundamental, el área será una cantidad física derivada.

• Los sistemas de unidades se clasifican en:

• Absolutos: aquellos donde las unidades de fuerza y energía son deriva-das, como el S. I.

• Gravitacionales: los que no cumplen la condición anterior; para ellos la fuerza es una dimensión fundamental definida con base en la fuerza de atracción gravitacional al nivel del mar, un ejemplo es el sistema inglés

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES.

• Unidades básicas del sistema internacional de

unidades

•LEYES DE LA

TERMODINAMICA.

Principio cero de la

Termodinámica.• Este principio o ley cero, establece que existe una

determinada propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

• En palabras llanas: «Si pones en contacto un objeto frío con otro caliente, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan».

• Tiene una gran importancia experimental «pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema» pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica.

• El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo.

Primera ley de la

Termodinámica.• También conocida como principio de conservación de la

energía para la termodinámica, establece que si se realiza

trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.

• En palabras llanas: "La energía ni se crea ni se destruye: solo

se transforma".

• Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la

energía necesaria que debe intercambiar el sistema para

compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue

propuesta por Nicolás Leonard Sadi Carnot en 1824.

• La ecuación general de la conservación de la energía es la

siguiente:

Segunda ley de la Termodinámica• Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo

los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una

mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a

concentrarse en un pequeño volumen). También establece,

en algunos casos, la imposibilidad de convertir

completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones

para las transferencias de energía que hipotéticamente

pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el primer

principio.

• Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de

mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta

lograr un equilibrio térmico.

• Enunciado de Clausius: • Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el

volumen.

• En palabras de Sears es: «No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada».

• Enunciado de Kelvin—Planck• Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un

ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito, y la realización de una cantidad igual de trabajo.

• Otra interpretación• Es imposible construir una máquina térmica cíclica que

transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir, que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo, siempre será menor a la unidad, y ésta estará más próxima a la unidad, cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.

Tercera ley de la Termodinámica.• Algunas fuentes se refieren incorrectamente al

postulado de Nernst como "la tercera de las leyes

de la termodinámica". Es importante reconocer

que no es una noción exigida por la

termodinámica clásica por lo que resulta

inapropiado tratarlo de «ley», siendo incluso

inconsistente con la mecánica estadística clásica y

necesitando el establecimiento previo de la

estadística cuántica para ser valorado

adecuadamente. La mayor parte de la

termodinámica no requiere la utilización de este

postulado

• ENERGÍA INTERNA:

• Se denomina energía interna de un sistema a la magnitud que cambia entre dos estados de un sistema en virtud únicamente de ejercer sobre el mismo un trabajo adiabático (sin flujo de calor).

• PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES:

• Un proceso termodinámico desde un estado inicial i a un estado final f tal que, tanto el sistema como el medio externo pueden reintegrarse desde el estado final f a su estado inicial i, de forma que no se origine ningún cambio exterior al sistema ni a su medio ambiente, se dice que es un proceso reversible. Caso contrario el proceso es irreversible.

• MAQUINA TÉRMICA:

• Es un sistema que realiza un trabajo mecánico sobre otros sistemas absorbiendo calor desde un foco caliente.

• MAQUINA FRIGORÍFICA:

• Es un sistema que cede calor a un foco caliente cuando otros sistemas realizan sobre él un trabajo mecánico.

• CICLO TERMODINÁMICO:

• Es el conjunto de las transformaciones termodinámicas de un sistema que retorna a las condiciones iniciales después de haber realizado un trabajo sobre otros sistemas.

• Generalmente, el estudio de los ciclos termodinámicos se lleva a cabo suponiendo que el sistema es un fluido perfecto, que funciona en una máquina igualmente perfecta, es decir, suponiendo que el ciclo está constituido por una serie de transformaciones termodinámicas ideales, como las adiabáticas (sin flujo de calor hacia o desde el sistema), isobáricas (a presión constante), isocoras (a volumen constante) e isotérmicas (a temperatura constante).

• CICLO TERMODINÁMICO INVERSO:

• Un ciclo termodinámico inverso busca lo contrario al ciclo termodinámico de obtención de trabajo. Se aporta trabajo externo al ciclo para conseguir que la trasferencia de calor se produzca de la fuente más fría a la más caliente, al revés de como tendería a suceder naturalmente. Esta disposición se emplea en las máquinas de aire acondicionado y en refrigeración.

• CALOR:

• Se llama calor a la magnitud que fluye entre dos sistemas a causa únicamente de su diferencia de temperatura. Los mecanismos de flujo de calor entre sistemas son en general los de conducción, convección y radiación. En cualquier transferencia de calor, sin embargo, puede predominar uno cualquiera de estos mecanismos, según sean los procesos y los sistemas termodinámicos actuantes.

• FOCO FRÍO, FOCO CALIENTE:

• Cuando se desarrolla un proceso termodinámico entre dos focos de temperatura diferente, se llama foco frío o fuente fría de calor al foco de menor temperatura. El otro sería el foco caliente o fuente caliente de calor.

• TRABAJO. TRABAJO ADIABÁTICO:

• Se dice que un sistema realiza trabajo mecánico sobre otro sistema cuando el primero le transfiere algún tipo de energía mecánica o electromecánica, ya sea una compresión, una expansión, etc.

• Cuando se realiza trabajo mecánico sobre un sistema que está envuelto en paredes adiabáticas, es decir, sin que pueda emitir o adsorber calor durante el proceso, decimos que realizamos sobre el sistema un trabajo adiabático aquél en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo)

APLICACIONES DE LA

TERMODINAMICA.

• La termodinámica es útil para todo. Para empezar hay que de limitar a qué se dedica la termodinámica:

• La termodinámica se ocupa de los intercambios energéticos entre los sistemas.

• La termodinámica establece la espontaneidad de los procesos que se dan entre los sistemas.

• La termodinámica es una rama de la física puramente empírica, por lo tanto sus aseveraciones son en cierto sentido absolutas.

• Las utilidades, además de las ya comentadas se pueden agrupar en los siguientes campos esenciales (bajo mi punto de vista).

• El estudio del rendimiento de reacciones energéticas.

• El estudio de la viabilidad de reacciones químicas.

• El estudio de las propiedades térmicas de los sistemas (como hayan comentado dilataciones, contracciones y cambios de fase).

• Establece rangos delimitados de los procesos posibles en función de leyes negativas.

• La termodinámica describe los sistemas con un conjunto reducido de variables, las conocidas como variables de estado, sin entrar en la estructura interna o las teorías fundamentales subyacentes.