CUPES L
Ciencias experimentales
Unidad 3. Termodinámica
Recopiló: M.C. Macaria Hernández Chávez
Calor y temperatura
La magnitud física que indica que tan caliente o fría es una sustancia respecto a un cuerpo
que se toma como base o patrón es la temperatura.
Nuestro organismo no detecta la temperatura, sino pérdidas o ganancias de calor.
Se denomina calor, a la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo o entre
distintos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura.
Variables termodinámicas
Las variables termodinámicas o variables de estado son las magnitudes que se
emplean para describir el estado de un sistema termodinámico. Dependiendo de
la naturaleza del sistema termodinámico objeto de estudio, pueden elegirse
distintos conjuntos de variables termodinámicas para describirlo. En el caso de
un gas, estas variables son:
Masa (m ó n): es la cantidad de sustancia que tiene el sistema. En el Sistema
Internacional se expresa respectivamente en kilogramos (kg) o en número de
moles (mol).
Volumen (V): es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. En el Sistema
Internacional se expresa en metros cúbicos (m3). Si bien el litro (l) no es una
unidad del Sistema Internacional, es ampliamente utilizada. Su conversión a
metros cúbicos es: 1 l = 10-3 m3.
Presión (p): Es la fuerza por unidad de área aplicada sobre un cuerpo en la
dirección perpendicular a su superficie. En el Sistema Internacional se expresa en
pascales (Pa). La atmósfera es una unidad de presión comúnmente utilizada. Su
conversión a pascales es: 1 atm ≅ 105 Pa.
•Temperatura (T ó t): A nivel microscópico la temperatura de un sistema está
relacionada con la energía cinética que tienen las moléculas que lo constituyen.
Macroscópicamente, la temperatura es una magnitud que determina el sentido en
que se produce el flujo de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto. En el
Sistema Internacional se mide en kelvin (K), aunque la escala Celsius se emplea con
frecuencia. La conversión entre las dos escalas es: T (K) = t (ºC) + 273.
En la siguiente figura se ha representado un gas encerrado en un recipiente y las
variables termodinámicas que describen su estado.
Cuando un sistema se encuentra en equilibrio, las variables termodinámicas
están relacionadas mediante una ecuación denominada ecuación de estado.
Variables extensivas e intensivas
En termodinámica, una variable extensiva es una magnitud cuyo valor es
proporcional al tamaño del sistema que describe. Esta magnitud puede ser
expresada como suma de las magnitudes de un conjunto de subsistemas que
formen el sistema original. Por ejemplo la masa y el volumen son variables
extensivas.
Una variable intensiva es aquella cuyo valor no depende del tamaño ni la
cantidad de materia del sistema. Es decir, tiene el mismo valor para un sistema
que para cada una de sus partes consideradas como subsistemas del mismo. La
temperatura y la presión son variables intensivas.
Las leyes de la termodinámica
Ley cero de la termodinámica
Esta le y explica que cuando un sistema se pone en contacto con otros, al transcurrir el tiempo,
la temperatura será la misma, porque se encontrarán en equilibrio térmico o dicho de otra
manera: la temperatura es una propiedad que posee cualquier sistema termodinámico y
existirá equilibrio térmico entre dos sistemas cualesquiera, si su temperatura es la misma.
A está muy
caliente
B y C están en
equilibrio térmico
A, B y C están en
equilibrio térmico
Primera Ley de la termodinámica
Establece las relaciones entre los flujos de energía que experimenta un sistema físico
y la forma en que cambian sus propiedades
Sentido práctico de la primera ley
• Es posible convertir calor en trabajo mecánico útil mediante máquinas térmicas.
• Las máquinas y turbinas de vapor, los motores de combustión interna, las turbinas de
gas y las plantas térmicas son consecuencia práctica de esta conversión.
• Esta conversión ha permitido el desarrollo industrial y el desarrollo tecnológico con
base en la utilización de los combustibles fósiles.
• Antes de estos descubrimientos se dependía de las energías humana, animal, eólica
e hidráulica para realizar trabajo mecánico útil.
Segunda ley de la termodinámica
Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo y cuyo único efecto sea generar
trabajo a partir del intercambio de calor con una única fuente de calor.
Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo y cuyo único efecto sea
transmitir calor de fuente fría a una fuente caliente.
Consecuencias prácticas de la segunda ley
Las máquinas que generan potencia mecánica a partir del calor recibido de una
fuente caliente, generan calor de desecho y deben contar con una fuente fría que
reciba ese calor.
Los equipos de refigeración necesitan potencia mecánica y por ello entregan a la
fuente caliente mayor calor que el que extraen al refrigerar la fuente fría.
Tercera Ley de la Termodinámica.
La tercera ley tiene varios enunciados equivalentes:
"No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos“
Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos
se alcancen temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más
baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual
cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde
aproximadamente a la temperatura de - 273,16ºC. Nunca se ha alcanzado tal
temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable.
Trabajo termodinámico
El cilindro contiene gas encerrado por un pistón o émbolo. Para comprimir el gas se debe
aplicar una fuerza al émbolo, el cual al recorrer una cierta distancia disminuirá el volumen del
gas, realizando un trabajo de compresión. EL valor del trabajo efectuado puede calcularse de
acuerdo con la siguiente fórmula :
T = P(Vf – Vi)
T = trabajo realizado en joules a una presión constante del gas
P = presión constante del gas en N/m2
Vf – Vi = variación de volumen en el gas en metros cúbicos m3
En la compresión de un gas, el
volumen final es menor al inicial, por
tanto, el trabajo realizado es negativo
y se dice que se realizó un trabajo de
los alrededores sobre el sistema
V
i
V
V = Vi Vf
Al expandirse un gas el volumen final
es mayor al inicial y, por tanto, el
trabajo es positivo, entonces el
sistema realiza un trabajo sobre los
alrededores.
f
Original
Al aplicar la fuerza
Calcular el trabajo realizado al comprimir un gas que está a una presión de 2.5
atmósferas desde un volumen inicial de 800 cm3 a un volumen final de 500 cm3.
Expresar el resultado en joules.
Datos
T=?
P = 2.5 atm
Vi = 800 cm3
Vf = 500 cm3
Fórmula
T = P(Vf ─ Vi)
Conversión de unidades
Sustitución y resultado
El signo menos del trabajo indica
que se realizó trabajo sobre el
sistema.
Resuelve el siguiente problema propuesto. Envía tu procedimiento detallado
escaneado al Buzón de Tareas.
Calcular el trabajo realizado al comprimir un gas que está a una presión de 5
atmósferas desde un volumen inicial de 1600 cm3 a un volumen final de 1000 cm3.
Expresar el resultado en joules.
Máquinas térmicas
•
Máquinas térmicas: Son dispositivos que pueden transformar la energía térmica en
otras formas de energía, mecánica o eléctrica. Las más conocidas son: máquina de
vapor, turbina de vapor y motor de explosión o combustión interna.
Máquina y turbina de vapor
•
Una máquina de vapor transforma en energía mecánica la energía calorífica que se
desprende en la combustión.
Motor de combustión
•
El combustible es quemado dentro del motor,
comprimiendo antes los gases. El gas
resultante empuja el émbolo que toma un
movimiento alternativo y rotatorio mediante
una biela y una manivela.
Central Térmica
Referencias
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/variables.h
tml
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