PRINCIPIOS DE LA TERMODINAMICA

ANDRES ACOSTACARLOS RUIZ MORENOALEJANDRO RODRIGUEZ

Índice Ley cero de la termodinámica Primera ley de a termodinámica Segunda ley de la termodinámica Tercera ley de la termodinámica Sistemas termodinámicos Estados termodinámicos (procesos

termodinámicos) Entropía y entalpia

Ley cero de la termodinámica La ley cero, conocida con el nombre de la ley del

equilibrio térmico fue enunciada en un principio por Maxwell y llevada a ley por Fowler y dice:

“Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí”

T1 T2

T1 > T2

Ejemplo experimental

-Halle la temperatura resultante de la mezcla de 150 gr de hielo a 0ºC y 300 gr de agua a 50ºC

Ce-agua =  1cal/grºCCe hielo = 0.53 cal/grºC

Ejemplos cotidianos.

Primera ley de termodinámica. "La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma":

Más formalmente, este principio se descompone en dos partes;

El «principio de la accesibilidad adiabática»

El conjunto de los estados de equilibrio a los que puede acceder un sistema termodinámico cerrado es, adiabáticamente, un conjunto simplemente conexo.

y un «principio de conservación de la energía»:

El trabajo de la conexión adiabática entre dos estados de equilibrio de un sistema cerrado depende exclusivamente de ambos estados conectados.

EJEMPLOS COTIDIANOS

Datos:

Calor entrante (Q): 1000J

Energía interna inicial ( vi): 62,7 J

Energía final del sistema ( vf): 418 J

Trabajo ejercido (w): 582 J

Formulas

u= Q-w

W=Q- u

W= 1000J – 418 J

W= 582 J

La forma de transferencia de energía común para todas las ramas de la física -y ampliamente estudiada por éstas- es el trabajo.

Dependiendo de la delimitación de los sistemas a estudiar y del enfoque considerado, el trabajo puede ser caracterizado como mecánico, eléctrico, etc. pero su característica principal es el hecho de transmitir energía y que, en general, la cantidad de energía transferida no depende solamente de los estados iniciales y finales, sino también de la forma concreta en la que se lleven a cabo los procesos.

El calor es la forma de transferencia de un tipo de energía particular, propiamente termodinámica, que es debida únicamente a que los sistemas se encuentren a distintas temperaturas (es algo común en la termodinámica catalogar el trabajo como toda trasferencia de energía que no sea en forma de calor). Los hechos experimentales corroboran que este tipo de transferencia también depende del proceso y no sólo de los estados inicial y final.

Segunda ley de la termodinámica Enunciado de kelvin para la segunda ley

de la termodinámica : “Es imposible construir un dispositivo que pueda , sin ningún otro efecto levantar un objeto extrayendo energía térmica de otro .

Enunciado de Clausius: “Es imposible construir un dispositivo que sin pueda, ningún otro efecto transferir calor desde un objeto frio hasta otro mas caliente”

Rendimiento de maquinasUna maquina puede ser un motor o un musculo Un motor térmico usa típicamente energía proporcionada en forma de calor para hacer trabajo, y luego expulsa el calor que no se pudo usar. La termodinámica es el estudio de las relaciones entre calor y trabajo. La primera ley y la

segunda ley de la termodinámica, restringen la operación de un motor térmico. La primera ley es la aplicación de la conservación de la energía al sistema y la segunda establece los límites de la posible eficiencia de la máquina y determina la dirección del flujo de la energía.

Funcionamiento del motor térmico Un motor térmico funciona de forma

cíclica añadiendo energía en forma de calor en una parte del ciclo, y usando esa energía para realizar trabajo útil en otra parte del ciclo.

Ciclo de Carnot- Eficiencia de una maquina El ciclo de motor térmico mas eficiente

es el ciclo de Carnot, consistente en dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabático.

Sistemas cerrados Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa

con el resto del universo termodinámico. También es conocido como masa de control. El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo a través de su frontera. La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico) es:

Delta U = Q + W

Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema, W es el trabajo total e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y U es la energía interna del sistema.

Sistemas abiertos Un sistema abierto es aquel que tiene

entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera.

Sistemas abiertos en estado estacionario El balance de energía se simplifica

considerablemente para sistemas en estado estacionario (también conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene Delta E_{sistema} = 0, por, por lo que el balance de energía queda:

Sistema aislado Es aquel sistema en el cual no hay

intercambio ni de masa ni de energía con el exterior.

Proceso adiabático. En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquél en el

cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isoentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante, se denomina proceso isotérmico.

El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.

En otras palabras se considera proceso adiabático a un sistema especial en el cual no se pierde ni tampoco se gana energía calorífica. Esto viene definido según la primera ley de termodinámica describiendo que Q=0

Si se relaciona el tema del proceso adiabático con las ondas, se debe tener en cuenta que el proceso o carácter adiabático solo se produce en las ondas longitudinales

PROCESO ISOBARICO Es aquel sistema termodinámico en el

cual varia la temperatura y el volumen pero la PRESION PERMANECE CONSTANTE

Proceso Isotérmico Es aquel sistema termodinámico en el

cual varia la presión y el volumen pero la TEMPERATURA PERMANECE CONSTANTE

Proceso Isocórico Un proceso isocórico,

también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; ΔV = 0. Esto implica que el

proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como:

ΔW = PΔV, donde P es la presión

(el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).

Resumen de ecuaciones

U Q W

Q W U Primera Ley de la TermodinámicaPrimera Ley de la Termodinámica

W = -DUW = -DU

Q = DUQ = DU

Q = WQ = W

Proceso isocóricoProceso isocórico

Proceso

adiabatico Proceso

adiabatico

Proceso isotérmicoProceso isotérmico

Q W U Proceso isobáricoProceso isobárico

Que es entropía? Es una magnitud que

mide la parte de la energía que NO puede utilizarse para producir un TRABAJO.

Es el grado de desorden que poseen las moléculas que integran un cuerpo.

Es un proceso irreversible

S = Si - Sf

S=entropia Si=entropia inicial Sf=entropia final

Entalpia Es la cantidad de energía que un sistema puede

intercambiar con su entorno. La entalpía es una magnitud de termodinámica

simbolizada con la letra H.

La variación de entalpía expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, o, lo que es lo mismo, la cantidad de energía que tal sistema puede intercambiar con su entorno.

Usualmente la entalpía se mide, dentro del Sistema Internacional de Unidades, en joules.

Ejemplo de reacción reversible.

U= Q-W U= 1000J – 31.25J U=968.65 J

Ejemplos

Ejemplo 1: En las tablas encontramos que ΔHf0(CO2) = -394 kJ/mol,

esto indica que ΔH para la reacción:

C(s) + O2(g) → CO2(g)        en condiciones TPEA es -394 kJ/mol

Ejemplo 2: En las tablas encontramos que ΔHf0(CO) = -111 kJ/mol,

esto indica que ΔH para la reacción:

C(s) + 1/2 O2(g) → CO(g) en condiciones TPEA es -111 kJ/mol

Por combinación de las ΔHf0 podemos determinar entalpías de

reacción de otras reacciones distintas, puesto que la entalpía es una función de estado (sólo depende de los estados inicial y final, no del camino recorrido)

La ΔH de la reacción   CO(g) + 1/2 O2(g) → CO2(g) será:ΔH0 = ΔHproductos - ΔHreactantes = ΔHf

0(CO2) - ΔHf0(CO) = -283 kJ/mol

Bibliografía Física para las ciencias de la vida I edición. http://

hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/carnot.html#c1

http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-49.htm

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/heaeng.html#c1

http://es.wikipedia.org/wiki/Rendimiento_t%C3%A9rmico

Gracias