Termodinámica

Termodinámica

• Estudio de las transformaciones de la energía, lo que permite análisis cuantitativo y realizarpredicciones

• Liberación de energía puede producir:

– Calor ( ejemplo: horno)

– Trabajo mecánico (ejemplo: motor de un auto)

– Trabajo eléctrico ( ejemplo: circuito eléctrico)

Conceptos Básicos

Universo está formado por un sistema y unentorno o medio

• Sistema: parte del universo en el cualtenemos un interés en especial

• Medio: región fuera del sistema. Lugar dondese realizan las mediciones

• Cada sistema puede ser subsistema de otromayor o estar dividivo en distintossubsistemas

Tipos de Sistema

Sistema Termodinámico

• Queda especificado cuando se conoce su naturalezafisicoquímica y la propiedad de sus paredes (ya sea delos subsistemas como del sistema con su entorno)

• Equilibrio de un sistema: estado privilegiado en el cuallas propiedades del sistema están determinadas por losfactores intrísecos de cada sistema (propiedades físico-químicas)– Equilibrio mecánico

– Equilibrio térmico Equilibrio termodinámico

– Equilibrio químico

Ley cero de la termodinámica

• La ley cero de la termodinámica establece que si dos sistemas, A y B, están en equilibrio termodinámico, y B está a su vez en equilibrio termodinámico con un tercersistema C, entonces A y C se encuentran en equilibriotermodinámico.

• Este principio fundamental se enunció formalmenteluego de haberse enunciado las otras leyes de la termodinámica, por eso se la llamó “ley cero”.

Función de estado

• Magnitud física macroscópica que caracterizael estado de un sistema en equilibrio, no son independientes entre sí

• El valor de una función de estado sólodepende del estado termodinámico actual en que se encuentre el sistema, sin importarcomo llegó a él

Ecuación de estado

• Ecuación constituitiva para sistemashidroestáticos que describe el estado de agregación de la materia como una relaciónmatemática entre T, p, V, d, U y otrasfunciones de estado asociadas con la materia

Algunas Propiedades Termodinámicas

• Volumen (V)• Presión (P)• Temperatura (T)• Cantidad de materia (n)

• Energía interna (U)• Entropía (S)• Entalpía (H)• Función de Helmholtz (F)• Función de Gibbs (G)

Variables extensivas y intensivas

• Extensivas: su valor en el sistema es la sumade sus valores en cualquier conjunto desubsistemas en que el sistema se divida(Ej V y n)

• Intensivas: son locales, definidas en cadapequeña región del sistema. En un sistema enequilibrio las variables intensivas son igualesen cualquier región. (EJ. T y P)

Trabajo, Calor y Energía

• Trabajo: movimiento contra una fuerza que seopone. Ejemplo: Gas que se expande, empujaun émbolo y levanta un peso

• Energía: Capacidad del sistema de realizar untrabajo. Ejemplo: resorte (sistema) tiene másenergía al estar comprimido que aldescomprimirse (trabajo realizado)

• Calor: Forma, distinta del trabajo, para disiparla energía

Trabajo, Calor y Energía

• Procesos exotérmicos: liberación de energía através del calor ( todas las reacciones decombustión)

• Procesos endotérmicos: proceso en que seadquiere energía del entorno como calor(vaporización del agua)

En términos moleculares…

• Movimiento térmico (calentamiento):movimiento desordenado de moléculas. Alaumentar la temperatura transfiero energía a lasmoléculas por los que éstas aumentan sumovimiento en forma aleatoria

• Trabajo es la trasferencia de energía que utiliza elmovimiento organizado. Ejemplo: Resorte: paralevantar el peso los átomos se desplazanorganizaamente hacia arriba o hacia abajo

Energía interna

• Energía total de un sistema (U)

• Es una función de estado: depende del estadoactual del sistema

• Es una propiedad extensiva

• Se mide en Joules (al igual que el trabajo y el calor) 1J= 1 Kg m2 s-2

1 cal= 4,184 J

La energía de una caloría eleva la temperatura de 1gr de agua en 1ºC

Formas de modificar la U

• Calor

• Trabajo

• En un sistema aislado de su entorno la U no cambia

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

La energía interna de un sistema aislado esconstante

Primera Ley de la termodinámica

∧U= q+w

∧U= cambio resultante de energía internaq= energía transferida como calor al sistemaw= trabajo efectuado sobre el sistema

“Si la energía es transferida al sistema como calor otrabajo el signo es +, si la energía es cedida por el sistema hacia el entorno el valor es negativo”

Ejemplo

1) Al comprimir un resorte se realizan sobre el 100 J de trabajo y se pierden 15 J como calorhacia el medio. El cambio de energía internadel resorte es:

∧U= +100 J – 15J = +85 J

Calorimetría

• Estudio de la transferencia de calor duranteprocesos físicos yquímicos

• Calorímetro: dispositivo quemide la transferencia de energía comocalor

Capacidad Calorífica

• Cociente entre la cantidad de energía calorífica transferidaa un cuerpo o sistema en un proceso y el cambio de temperatura que experimenta

• Energía necesaria para aumentar una unidad de temperatura

• La capacidad calorífica es una propiedad extensiva (100 grde agua tienen 100 veces más capacidad calorífica de 1 grde agua)

• Calor específico: capacidad calorífica /masa

U

Entalpía

• Expresar la cantidad de calor que cede o absorbeun sistema termodinámico en transformaciónisobárica (es decir, a presión constante)

• Entalpía (H) H= U + pV

• El cambio en la entalpía es igual a la energíaproporcionada como calor a presión constante. Ej; si suministramos 36 kJ de energía a través de un calentador eléctrico inmerso en un bañoabierto de agua, la entalpía del agua se incrementa en 36 kj siendo H= +36kj

Entalpía de cambios físicos

• Entalpía estándar: sustancias iniciales y finalesdel proceso se hallan en estado estándar

• Estado estándar: sustancia a temperaturaespecífica en su forma pura a 1bar

• Entalpía estándar de transición: cambio deentalpía que acompaña un cambio de estadofísico– Entalpía estándar de vaporización

– Entalpía estándar de fusión

Entalpía como función de estado

• Un cambio en la entalpía esindependiente del caminoentre los dos estados

• Los cambios en la entalpíaestándar de un proceso en una dirección y su procesoinverso sólo varían en el signo

Alimentos y Reserva de energía

• Un hombre tipo de 18-20 años requiere un ingreso diario de app 12MJ

• Entalpía de los alimentos:– Glucosa pura: 16kJ/g

– Hidratos de carbono: 17 kj/gr

– Grasas: 38 kJ/gr

• El calor liberado por la oxidación de los alimentos debe ser liberado para mantenertemperatura corporal normal (35,6 – 37,8º C)

Mantención de la temperaturacorporal

• Flujo Sanguíneo: aumenta a nivel de loscapilares produciendo enrojecimiento de lapiel e irradiación de calor

• Evaporación de agua: transpiración

Segunda Ley de la termodinámica

• Se resume en el reconocimiento de2 clases de procesos: espontáneos yno espontáneos– Gas se expande para llenar el espacio

disponible (espontáneo)– Objeto se enfría en un refrigerador (

debe realizarse un trabajo)

• Kelvin dice: no es posible unproceso en el cual el únicoresultado sea la absorción de calorde un reservorio y su conversióntotal en trabajo

Disipación de la energía

• Energía cinética delmovimiento de la pelota sedispersa en la energíatérmica del movimiento desus patículas y de las delpiso sobre el cual golpea

• ¿Porqué un balón en reposoen un piso caliente nocomienza a rebotar?

Disipación de la energía

• Para que haya trabajo mecánico debe habermovimiento ordenado de las moléculas del suelo ejerciendo una acción localizada

• Un gas no se contrae en forma espontáneaporque para hacerlo el movimiento aleatoriode sus partículas en un contenedor deberíaconcentrarse para llevar a todas las moléculasa un mismo sector del contenedor

Entropía (S)

• Función de estado que mide el grado de desordendentro de un proceso y permite distinguir la energíaútil, que es la que se convierte en su totalidad en trabajo, de la inútil, que se pierde en el medioambiente.

• Segunda ley de la termodinámica puede expresarse de la siguiente forma:

“La evolución espontánea de un sistema aislado se traduce siempre en un aumento de su entropía.”

• Es una variable extensiva, califica el grado de desordende un sistema

Ejemplo de entropía: Cadenas Tróficas

• Al ir subiendo de nivel (de productores a consumidores) seva perdiendo energía química potencial como calor.

• Al proceso por el cual la energía pierde su capacidad degenerar trabajo útil o, mejor dicho, se transforma en otraenergía que es menos aprovechable, se le llama entropía.

Ejemplo de entropía: Cadenas Tróficas

• La entropía se entiende como el grado de desorden deun sistema, así, por ejemplo, en la medida en quevamos subiendo niveles en la cadena trófica, cada veztenemos menos control sobre la energía químicapotencial que sirve para generar trabajo ya que ésta seha ido transformando en calor y nosotros podemosaprovechar (controlar) menos este tipo de energía, esdecir va aumentando el grado de descontrol(desorden) que tenemos sobre la cadena trófica

• Por eso se dice que todo sistema biológico tiende a laentropía; es decir, al desorden.

Transmisión de Calor

• Conducción

• Convección

• Radiación

Conducción de calor.

• Mecanismo de transferencia de energíatérmica entre 2 sistemas basado en elcontacto directo de sus partículas que tiende aigualar la temperatura dentro de un cuerpo yentre diferentes cuerpos en contacto pormedio de ondas.

• Es muy reducida en el espacio y es nula en elespacio vacío ideal, espacio sin energía.

Conducción de calor.

• conductividad térmica conducción de calor en los materiales (capacidad de conducción de calor o capacidad de una sustancia para transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus moléculas adyacentes o a otras con las que esté en contacto).

• La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

Conducción de calor.

• Está determinada por la ley de Fourier. Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección.

• donde Qx es la tasa de flujo de calor que atraviesa el área Aen la dirección x, la constante de proporcionalidad λ se llama conductividad térmica, T es la temperatura y t el tiempo.

Convección.

• Una de las 3 formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas.

• Se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Éstos, al calentarse, ↑ volumen, ↓ densidady ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura.

• Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.

Convección.

• La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton:

• Donde h es el coeficiente de convección (ó coeficiente de película), As es el área del cuerpo en contacto con el fluido, Tses la temperatura en la superficie del cuerpo y Tinf es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.

Radiación.

• Propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material.

• Forma de ondas electromagnéticas (Rayos X, Rayos UV, etc.) se llama radiación electromagnética, mientras que la radiación corpuscular es la radiación transmitida en forma de partículas subatómicas (partículas α, neutrones, etc.) que se mueven a gran velocidad en un medio o el vacío, con apreciable transporte de energía.

Radiación

• Si la radiación transporta energía suficiente como para provocar ionización en el medio que atraviesa, se dice que es una radiación ionizante. El carácter ionizante o no ionizante de la radiación es independiente de su naturaleza corpuscular u ondulatoria.

• Son radiaciones ionizantes los Rayos X, Rayos γ, y Partículas α, entre otros. Por otro lado, radiaciones como los Rayos UV y las ondas de radio, TV o de telefonía móvil, son algunos ejemplos de radiaciones no ionizantes.

Regulación de la t° corporal.

• Humanos: aprox. 37ºC. Temperatura promedio: 36.7ºC.

• T° en un sujeto puede variar a lo largo del día, siendo un poco más baja de madrugada y 0.5ºC más alta al anochecer.

• Durante el sueño la temperatura se regula y tiende a bajar. En las mujeres aumenta medio grado en la segunda parte del ciclo menstrual, después de la ovulación.

Regulación de la t° corporal.

• Esta regulación tiene mucho sentido fisiológico. La información cutánea permite al hipotálamo anticiparse a los cambios.

• Si la temperatura cutánea es baja (ambiente frío), conviene conservar el calor, así que el hipotálamo pone en marcha mecanismos correspondientes antes de que la t° en el interior del organismo cambie.

• Cerebro se daña fácilmente con cambios de t°, por lo que si ésta en el hipotálamo aumenta, se ponen en marcha inmediatamente mecanismos para bajarla, sin importar cuál sea la t° de la piel.

Regulación de la t° corporal.

• El hipotálamo puede actuar sobre la t° corporal mediante:• La circulación cutánea: Cuando la t° es baja, hipotálamo

activa fibras nerviosas simpáticas que van a la piel, por lo que llega menos sangre a ella. En cambio, cuando la t° es elevada las arterias cutáneas se dilatan, la sangre llega a la superficie y allí se enfría en contacto con el aire.

• El sudor. Cuando la t° es elevada, las glándulas sudoríparas producen sudor, este se evapora en la superficie del cuerpo eliminando calor.

• Contracción muscular. El frío produce contracciones musculares involuntarias, que aumentan tono muscular o contracción basal y si es más intenso produce un temblor perceptible. Estas contracciones consumen energía que se transforma en calor.

Regulación de la t° corporal.

• Pilorección. El pelo cutáneo se levanta debido a la contracción de unos pequeños músculos que hay en la base de cada pelo. En humanos este reflejo tiene poca importancia, pero en especies con un pelo tupido, hace que quede atrapada una capa de aire debajo del pelo que aísla y disminuye la pérdida de calor.

• Aumento del metabolismo. El hipotálamo aumenta la producción del la hormona TRH, esta estimula la producción en la hipófisis de TSH, la cual a su vez incrementa la secreción de hormonas en la glándula tiroides, y finalmente estas estimulan la producción de calor en todas las células del organismo.