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Termodinmica conceptos bsicos UPAV El calorEl calor no es una nueva forma de energa, es el nombre dado a una transferencia de energa de tipo especial en el que intervienen gran nmero de partculas. Se denomina calor a la energa intercambiada entre un sistema y el medio que le rodea debido a los choques entre las molculas del sistema y el exterior al mismo y siempre que no pueda expresarse macroscpicamente como producto de fuerza por desplazamiento.Se debe distinguir tambin entre los conceptos de calor y energa interna de una sustancia. El flujo de calor es una transferencia de energa que se lleva a cabo como consecuencia de las diferencias de temperatura. La energa interna es la energa que tiene una sustancia debido a su temperatura, que es esencialmente a escala microscpica la energa cintica de sus molculas.El calor se considera positivo cuando fluye hacia el sistema, cuando incrementa su energa interna. El calor se considera negativo cuando fluye desde el sistema, por lo que disminuye su energa interna.Cuando una sustancia incrementa su temperatura deTAaTB, el calor absorbido se obtiene multiplicando la masa (o el nmero de molesn) por el calor especficocy por la diferencia de temperaturaTB-TA.Q=nc(TB-TA)Cuando no hay intercambio de energa (en forma de calor) entre dos sistemas, decimos que estn enequilibrio trmico. Las molculas individuales pueden intercambiar energa, pero en promedio, la misma cantidad de energa fluye en ambas direcciones, no habiendo intercambio neto. Para que dos sistemas estn en equilibrio trmico deben de estar a la misma temperatura.Primera ley de la TermodinmicaLa primera ley no es otra cosa que el principio de conservacin de la energa aplicado a un sistema de muchsimas partculas. A cada estado del sistema le corresponde una energa internaU. Cuando el sistema pasa del estado A al estado B, su energa interna cambia enU=UB-UASupongamos que el sistema est en el estado A y realiza un trabajoW, expandindose. Dicho trabajo mecnico da lugar a un cambio (disminucin) de la energa interna de sistemaU=-WTambin podemos cambiar el estado del sistema ponindolo en contacto trmico con otro sistema a diferente temperatura. Si fluye una cantidad de calorQdel segundo al primero, aumenta su energa interna enU=QSi el sistema experimenta una transformacin cclica, el cambio en la energa interna es cero, ya que se parte del estado A y se regresa al mismo estado,DU=0.Sin embargo, durante el ciclo el sistema ha efectuado un trabajo, que ha de ser proporcionado por los alrededores en forma de transferencia de calor, para preservar el principio de conservacin de la energa,W=Q. Si la transformacin no es cclicaU 0 Si no se realiza trabajo mecnicoU=Q Si el sistema est aislado trmicamenteU=-W Si el sistema realiza trabajo,Udisminuye Si se realiza trabajo sobre el sistema,Uaumenta Si el sistema absorbe calor al ponerlo en contacto trmico con un foco a temperatura superior,Uaumenta. Si el sistema cede calor al ponerlo en contacto trmico con un foco a una temperatura inferior,Udisminuye.Todos estos casos, los podemos resumir en una nica ecuacin que describe la conservacin de la energa del sistema.U=Q-W

EntalpaEl trmino entalpa es un trmino que se utiliza normalmente en el mbito de la ciencia fsica y que sirve para designar a aquel fenmeno mediante el cual la magnitudtermodinmicade un cuerpo o elemento es igual a la suma que resulta de su propia energa interna ms el resultado de su volumen por la presin exterior. Esta frmula es una frmula muy comn de la fsica y de la termodinmica que permite conocerinformacinsobre la reaccin de diferentes elementos y fuerzas naturales en diferentes condiciones.La entalpa forma parte de la informacin que junta y organiza la termodinmica, una parte de la ciencia fsica encargada de calcular magnitudes de energa. La entalpa supone la cantidad de energa que se pone en movimiento o en accin cuando se genera presin constante sobre un determinado elemento u objeto material. As, el sistema termodinmico conocido como entalpa es el que se puede utilizar para conocer la energa o los joules (unidad que se usa en este caso) contienen un elemento, por ejemplo un alimento.La entalpa es representada oficialmente con la letra H y en la ecuacin es igual a la suma de la energa interna o U con el volumen del elemento puesto a presin constante. La frmula de la entalpa termodinmica es:

H = U + pV.

Segunda ley de la Termodinmica La segunda ley de la termodinmica, afirma que los procesos ocurren en cierta direccin y que la energa tiene calidad as como cantidad.

Conservar la calidad de la energa es una cuestin importante para los ingenieros, y la segunda ley provee los medios necesarios para determinarla, as como el grado de degradacin que sufre la energa durante un proceso. La segunda ley de la termodinmica se usa tambin para determinar los lmites tericos en el desempeo de sistemas de ingeniera de uso ordinario, como mquinas trmicas y refrigeradores.El enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinmica establece que ninguna mquina trmica puede producir una cantidad neta de trabajo mientras intercambia calor con un solo depsito. El enunciado de Clausius de la segunda ley expresa que es imposible que una mquina, sin ayuda mecnica externa,transfiera calor de un cuerpo a otro ms caliente. Cualquier dispositivo que viola la primera o la segunda ley de la termodinmica se llama mquina de movimiento perpetuo.Un proceso no ocurre a menos que satisfaga tanto la primera como la segunda leyes de la termodinmica. Los cuerpos que pueden absorber o rechazar cantidades finitas de calor en forma isotrmica se llaman depsitos de energa trmica o depsitos de calor. Se dice que un proceso es reversible si tanto el sistema como los alrededores pueden volver a su condicin original. Cualquier otro proceso es irreversible. Los efectos que hacen que un proceso sea irreversible son la friccin, la expansin o compresin de no cuasiequilibrio y la transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperatura, las cuales se denominan irreversibilidades. El ciclo de Carnot es un ciclo reversible compuesto por cuatro procesos reversibles, dos isotrmicos y dos adiabticos. Los principios de Carnot establecen que las eficiencias trmicas de las mquinas trmicas reversibles que operan entre dos depsitos son las mismas, y que ninguna mquina de este tipo es ms eficiente que una reversible que opera entre los mismos dos depsitos.

Maquinas trmicas El trabajo se puede convertir fcilmente en otras formas de energa, pero convertir stas en trabajo no es fcil. El trabajo mecnico que realiza la flecha mostrada en la figura, por ejemplo, se convierte primero en la energa interna del agua, energa que puede entonces salir del agua como calor. Se sabe por experiencia que cualquier intento por revertir este proceso fallar, es decir, transferir calor al agua no causa que la flecha gire. De sta y otras observaciones se concluye que el trabajo se puede convertir en calor de manera directa y por completo, pero convertir el calor en trabajo requiere usar algunos dispositivos especiales. Estos dispositivos se llaman mquinas trmicas.Las mquinas trmicas difieren bastante entre s, pero es posible caracterizarlas a todas de la siguiente manera.1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energa solar, horno de petrleo, reactor nuclear, etctera).2. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de una flecha rotatoria).3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la atmsfera, los ros, etctera).4. Operan en un ciclo.

Las distintas cantidades mostradas en esta figura son:Qentrada = cantidad de calor suministrada al vapor en una caldera desde una fuente de temperatura alta (horno)Qsalida = cantidad de calor rechazada del vapor en el condensador hacia un sumidero de temperatura baja (atmsfera, ro, etctera)Wsalida = cantidad de trabajo que entrega el vapor cuando se expande en una turbinaWentrada = cantidad de trabajo requerida para comprimir agua a la presin de la caldera

Formulas

Tambin se pueden expresar como:

Refrigeradores

Se sabe por experiencia que el calor se transfiere en la direccin de temperatura decreciente, es decir, desde medios a temperatura alta hacia los de temperatura baja. Este proceso de transferencia de calor ocurre en la naturaleza sin requerir ningn dispositivo. Sin embargo, el proceso inverso no puede ocurrir por s mismo. La transferencia de calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro de temperatura alta requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores.La eficiencia de un refrigerador se expresa en trminos del coeficiente de desempeo (COP, siglas de coefficient of performance), el cual se denota mediante COPR. El objetivo de un refrigerador es remover calor (QL) del espacio refrigerado. Para lograr este objetivo, se requiere una entrada de trabajo de Wneto,entrada.Formulas

Bomba de calor

El objetivo de una bomba de calor, es mantener un espacio calentado a una temperatura alta. Esto se logra absorbiendo calor desde una fuente que se encuentra a temperatura baja, por ejemplo, agua de pozo o aire fro exterior en invierno, y suministrando este calor a un medio de temperatura alta como una casa.Un refrigerador ordinario que se coloca en la ventana de una casa con la puerta abierta hacia el fro aire exterior en invierno funcionar como una bomba de calor porque tratar de enfriar el exterior absorbiendo calor de ly rechazndolo hacia la casa a travs de los serpentines situados detrs La medida de desempeo de una bomba de calor tambin se expresa en trminos del coeficiente de desempeo COPHP

Formulas

Entropa

Puede verse como una medida de desorden molecular, o aleatoriedad molecular. Cuando un sistema se vuelve ms desordenado, las posiciones de las molculas son menos predecibles y la entropa aumenta, de ah que no sorprenda que la entropa de una sustancia sea ms baja en la fase slida y ms alta en la. En la slida, las molculas de una sustancia oscilan continuamente en sus posiciones de equilibrio, pero les es imposible moverse unas respecto de las otras, por lo que su posicin puede predecirse en cualquier momento con certeza. Sin embargo, en la gaseosa, las molculas se mueven al azar, chocan entre s y cambian de direccin, lo cual hace sumamente difcil predecir con precisin el estado microscpico de un sistema en cualquier instante. Asociado a este caos molecular se encuentra un valor alto de entropa.La cantidad de energa siempre se conserva durante un proceso real (primera ley), pero la calidad est destinada a disminuir (la segunda ley). Esta disminucin en la calidad siempre est acompaada por un incremento en la entropa. Por ejemplo, considere la transferencia de 10 kJ de energa como calor de un medio caliente a otro fro, al final del proceso an se tendrn los 10 kJ de energa, pero a una temperatura ms baja y, por lo tanto, a una menor calidad.

Clausius descubri en 1865 esta propiedad termodinmica y decidi nombrarla entropa, la cual est designada por S y definida como:

La entropa es una propiedad extensiva de un sistema y a veces es llamada entropa total, mientras que la entropa por unidad de masa s es una propiedad intensiva y tiene la unidad kJ/kg K. Generalmente, el trmino entropa es usado para referirse a ambas: a la total y a la de por unidad de masa, ya que el contexto normalmente esclarece de cul se trata. El cambio de entropa de un sistema durante un proceso puede determinarse integrando la ecuacin entre los estados inciales y final:

Recuerde que los procesos isotrmicos de transferencia de calor son internamente reversibles, por lo tanto el cambio de entropa de un sistema durante uno de estos procesos puede determinarse con:

Donde T0 es la temperatura constante del sistema y Q es la transferencia de calor para el proceso.

La entropa es una propiedad extensiva, por lo tanto la entropa total de un sistema es igual a la suma de las entropas de las partes del sistema. Un sistema aislado puede estar compuesto de cualquier nmero de subsistemas. Por ejemplo, un sistema y sus alrededores constituyen un sistema aislado porque los dos pueden hallarse encerrados por una frontera arbitraria suficientemente grande a travs de la cual no hay transferencia de calor, trabajo o masa. Por consiguiente, es posible considerar a un sistema y sus alrededores como dos subsistemas de un sistema aislado, y el cambio de entropa de ste durante un proceso resulta de la suma de los cambios de entropa del sistema y sus alrededores, la cual es igual a la generacin de entropa porque un sistema aislado no involucra transferencia de entropa. Es decir:

El principio de incremento de entropa no implica que la de un sistema no pueda disminuir. El cambio de entropa de un sistema puede ser negativo durante un proceso, pero la generacin de entropa no. El principio de incremento de entropa puede resumirse como sigue: