TERMODINAMICA

TERMODINAMICA

Termodinmica,campodelafsicaque describe y relaciona las propiedades fsicas de la materia de los sistemas macroscpicos, as como sus intercambios energticos. Los principios de la termodinmica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniera.

La termodinmica es la rama de la fsica que estudia la energa, la transformacin entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo.

Est ntimamente relacionada con la mecnica estadstica, de la cual se pueden derivar numerosas relaciones termodinmicas. La termodinmica estudia los sistemas fsicos a nivel macroscpico, mientras que la mecnica estadstica suele hacer una descripcin microscpica de los mismos.

Unconceptoesencialde 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 se puede describir mediante propiedades medibles como la temperatura, la presin o el volumen, que se conocen como variables de estado. Es posible identificar y relacionar entre s muchas otras variables termodinmicas (como la densidad, el calor especfico, la compresibilidad o el coeficiente de dilatacin), con lo que se obtiene una descripcin ms completa de un sistema y de su relacin con el entorno. Todas estas variables se pueden clasificar en dos grandes grupos: las variables extensivas, que dependen de la cantidad de materia del sistema, y las variables intensivas, independientes de la cantidad de materia.

Cuandounsistemamacroscpico 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.

Ciclo de Carnot

El 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.

PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINAMICA

Frecuentemente,ellenguaje de las ciencias empricas se apropia del vocabulario de la vida diaria. As, aunque el trmino 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.

Cuandodossistemasestn en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, 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.

Siunodeestossistemas se pone en contacto con un entorno infinito que se encuentra a una temperatura determinada, 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.)

Latemperaturasemide con dispositivos llamados termmetros. Un termmetro se construye a partir de una sustancia con estados fcilmente identificables y reproducibles, por ejemplo el agua pura y sus puntos de ebullicin y congelacin en condiciones normales. Si se traza una escala graduada entre dos de estos estados, la temperatura de cualquier sistema se puede determinar ponindolo en contacto trmico con el termmetro, siempre que el sistema sea grande en relacin con el termmetro.

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINMICA

El fsico alemn Julius von Mayer (1814 1878), establece la primera ley o primer principio de la termodinmica, que afirma que el calor y el trabajo son nter convertibles.

Tras estudiar medicina en Tubinga embarc en un navo como mdico hacia las Indias Orientales, realizando en el curso de este viaje un trabajo cientfico sobre la modificacin del metabolismo humano bajo la accin de elevadas temperaturas.

Mayer fue - a la vez que Joule, pero con independencia de l- el primero en comprobar la transformacin de trabajo mecnico en calor, y viceversa, obteniendo incluso, en 1842 el valor de la calora, aunque la cifr en 3,6. En 1845 presenta la "relacin de Mayer", proceso por el cual haba obtenido sus resultados, consistente en la medida de la diferencia de las capacidades calorficas molares de los gases. En 1846, presenta otra memoria dedicada a los fenmenos elctricos y biolgicos, "El movimiento orgnico", en la que enuncia el Principio de conservacin de la energa.

Laprimeraleydelatermodinmica

Da una definicin precisa del calor, otro concepto de uso corriente.

Tambin conocido como principio de la conservacin de la energa, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema, la energa interna del sistema variar. La diferencia entre la energa interna del sistema y la cantidad de energa es denominada calor. Fue propuesto por Antoine Lavoisier.

La ecuacin general de la conservacin de la energa es la siguiente:

Eentra Esale = EsistemaEn otras palabras: La energa no se crea ni se destruye slo se transforma. (Conservacin de la energa).Cuandounsistemasepone 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. Se puede convertir 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.

Elprimerprincipioes 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 (Energa nuclear) 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.

Encualquiermquina, hace falta cierta cantidad de energa para producir trabajo; es imposible que una mquina realice trabajo sin necesidad de energa. Una mquina hipottica de estas caractersticas se denomina mvil perpetuo de primera especie. La ley de conservacin de la energa descarta que se pueda inventar nunca una mquina as. A veces, el primer principio se enuncia como la imposibilidad de la existencia de un mvil perpetuo de primera especie.

Aplicaciones de la Primera Ley:

Sistemas cerrados:

Un sistema cerrado es uno que no tiene entrada ni salida de masa, tambin es conocido como masa de control. El sistema cerrado tiene interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, as como puede realizar trabajo de frontera.

La ecuacin general para un sistema cerrado (despreciando energa cintica y potencial) es:

Q W = UDonde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema (positiva cuando entra al sistema y negativa cuando sale de ste), W es el trabajo total (negativo cuando entra al sistema y positivo cuando sale de ste) e incluye trabajo elctrico, mecnico y de frontera; y U es la energa interna del sistema.

Sistemas abiertos

Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, as como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, tambin puede realizar trabajo de frontera.

La ecuacin general para un sistema abierto es:

O igualmente:

Q W +minin moutout = Esistema

inout

Donde in representa todas las entradas de masa al sistema; out representa todas las salidas de masa desde el sistema; y es la energa por unidad de masa del flujo y comprende entalpa, energa potencial y energa cintica,

La energa del sistema es Sistemas abiertos en estado estacionario

El balance de energa se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (tambin conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene Esistema = 0, por lo que el balance de energa queda:

Sistema Aislado

Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energa con el exterior.