LA LEYES DE A TERMODINAMICA

Taller de física

INTEGRANTES DEL GRUPO

• SERGIO GUTIERREZ DIFILIPPO• MILQUIADES HERRERA PALMERA• ROBERTO KITCHEN MORALES

CONTENIDO

• CONCEPTO DE TERMODINAMICA• PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA• SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA• EJERCICIOS CON SOLUCION• PROBLEMAS PARA RESOLVER EN CLASE

CONCEPTOS DE LA TERMODINAMICA

• La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo.

• La termodinámica es el estudio de la transformación de una forma de energía en otra y del intercambio de energía entre sistemas.

• Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos.

• La termodinámica (termo, que significa "calor“ y dinámico, que significa "fuerza") es una rama de la física que estudia los efectos de los cambios de magnitudes de los sistemas a un nivel macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica — a partir de razonamientos deductivos — que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental. Los cambios estudiados son los de temperatura, presión y volumen, aunque también estudia cambios en otras magnitudes, tales como la imanación, el potencial químico, la fuerza electromotriz y el estudio de los medios continuos en general.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

Postulado de esta ley:“En un sistema cerrado adiabático que evoluciona de un estado inicial a otro estado final , el trabajo realizado no depende ni del tipo de trabajo ni del proceso seguido.”

Adiabático (proceso donde se cambia la forma de realizar un trabajo c y c y producir la misma en la temperatura del agua, siempre y cuando el sistema este aislado térmicamente del ambiente, es decir, que no haya transmisión de calor entre sistema y ambiente). Este proceso adiabático se ve, que el trabajo realizado es = a la variación de la energía interna del sistema.Uf-----Ui = T, DONDE, U=ES LA ENERGIA INTERNA T= trabajo realizar

IMPORTANTE:Se debe distinguir también entre los conceptos de calor y energía interna de una sustancia. El flujo de calor es una transferencia de energía que se lleva a cabo como consecuencia de las diferencias de temperatura. La energía interna es la energía que tiene una sustancia debido a su temperatura, que es esencialmente a escala microscópica la energía cinética de sus moléculas.

Cuando ya se le suministra a esta formula, y este es absorbido o cedido por el ambiente. Do todas formas medimos el calor en este sistema, y se resulta que:

Q+(-T)= ∆U“LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA ES UN ENUNCIADO

DE LA LEY MAS GENERAL DE LA CONSERVACION DE LA ENERGIA”.

• El calor es positivo si es absorbido por el sistema.

• El trabajo es positivo si lo realiza el sistema.

• El calor es negativo si el sistema lo cede dela ambiente.

• El trabajo es negativo si se realiza sobre el sistema.

DE ESTA ECUACION SE DERIVA QUE:

El calor absorbido por un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema más el aumento de la energía interna.

Q= T+∆U

P

V

Vi VF

P

Trabajo realizado

Si durante la dilatación la presión permanece constante, entonces T= P (Vf-Vi).

En una grafica de presión contra volumen el trabajo realizado por el sistema esta representado por el área bajo la curva.

Trabajo realizado

Si al dilatarse el gas la presión disminuye, el área bajo la curva representa el trabajo realizado.

P

Algunos procesos que se aplican frecuentemente en la investigación científica y en la técnica son:

PROCESO ISOBARICO

• Es aquel que se realiza a presión constante.

Q= P (Vf-Vi) + ∆U

PROCESO ISOCORO O ISOVOLUMETRICO

Que se realiza a volumen constante.En el proceso isocoro no se realiza trabajo; el área bajo la curva es cero (0).

Q=∆U

PROCESO ISOTERMICO

Es el que se realiza a temperatura constante. La variación de la energía interna es nula.

Q=T

ISOTERMA

Q=T

PROCESO ADIABATICO

Es el que se realiza sin que haya intercambio de calor entre el sistema y el ambiente.El sistema no absorbe ni cede calor.

Q= T + ∆U ADIABATICÁ

Q= T + ∆U

SEGUNDA LEY DE TERMODINAMICA• La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos

imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley.

• En un sentido general, el segundo principio de la termodinámica es la ley de la física que afirma que las diferencias entre un sistema y sus alrededores tienden a igualarse. En un sentido clásico, esto se interpreta como la ley de la física de la que se deriva que las diferencias de presión, densidad y, particularmente, las diferencias de temperatura tienden a igualarse. Esto significa que un sistema aislado llegará a alcanzar una temperatura uniforme. Una máquina térmica es aquella que provee de trabajo eficaz gracias a la diferencia de temperaturas entre dos cuerpos. Dado que cualquier máquina termodinámica requiere una diferencia de temperatura, se deriva pues que ningún trabajo útil puede extraerse de un sistema aislado en equilibrio térmico, esto es, se requerirá de la alimentación de energía del exterior.

LAS MAQUINAS TERMICASUna maquina térmica funciona absorbiendo una cantidad de calor Qc de una fuente que esta a alta temperatura Tc . Realiza un trabajo T y devuelve una cantidad de calor Qf a una fuente fría que esta a temperatura Tf . El sistema termodinámico regresa a su estado original completando de esta forma un ciclo. Durante el ciclo la maquina absorbe el calor, realiza un trabajo y cede calor y a su fin consiste en repetir cíclicamente este proceso donde el trabajo realizado por la maquina es la suma de los trabajos realizados en cada ciclo.

ESQUEMA DE UNA MAQUINA TERMICA

Durante el ciclo, el estado inicial y final de la maquina son los mismos. La energía interna final es igual a la energía interna inicial de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos:

Donde Q es el calor neto consumido por la maquina, o sea, Q= Qc-Qf

T=Qc-Qf

Q= T + 0

Se define el rendimiento o eficiencia de una maquina térmica al cociente entre el trabajo realizado y el calor absorbido.

En la practica, el calor Qc es producido por la combustión de gasolina, carbón o cualquier otro combustible. Por consiguiente, se trata de diseñar la maquina térmica que tengan la mayor eficiencia posible. Para obtener rendimiento del 100%, el calor cedido Qf debería ser cero, pero esto es complemento imposible.

Es imposible que una maquina que trabaja cíclicamente, extraiga calor de un foco y produzca una cantidad equivalente de trabajo, sin producir otro efecto.

Con los datos recopilados se puede deducir que:

Una maquina térmica que trabaje tomando calor de un foco a la temperatura Tc y cediendo calor a un foco de temperatura Tf, no puede tener eficiencia mayor a una maquina que trabaje con los mismos focos y su ciclo esté compuesto de dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos.

V

P

Isoterma

Isoterma

Tf

Tc

1

2

34

Compresión adiabática

Expansión adiabática

En una maquina de Carnot, la eficiencia es igual al cociente entre la diferencia de las temperaturas absolutas Tc-Tf y la temperatura del foco caliente Tc:

De donde se obtiene que para una maquina de Carnot se cumple que:

EJERCICIOS SOBRE:“Primera ley de la Termodinámica ”

Para solucionar problemas donde se aplique la primera ley de la termodinámica se debe tener en cuenta de utilizarse todas las magnitudes (trabajo, calor y energía interna) con la misma unidad, para tal efecto se utiliza el equivalente mecánico del calor: 1 cal= 4184 j.

De acuerdo con el grafico de presion contra volumen que aparece en la figura resolver el siguiente problema: si se lleva del estado i al estado f siguiendo la trayectoria i a f se encuentra que el sistema hace una trabajo de 20 cal y absorbe 50 cal de calor. Si la trayectoria seguida es por el camino ibf el calor absorbido es de solo 42 cal.

a. ¿En cuanto varía la energía interna del sistema?

b. ¿Qué trabajo se realiza al seguir la trayectoria ibf ?

c. Si la energía inicial es Ui = 10 cal, ¿Cuánto vale la energía interna final?

d. Si por el recorrido curvo if se realiza sobre el sistema un trabajo de – 13 cal, ¿Cuánto calor cede al ambiente el sistema en este proceso?

Solución:

a. De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos que:

Q=T +∆U donde ∆U=Q- T∆U= 50 cal – 20 cal= 30 cal.

b. Al seguir la trayectoria ibf observamos que la variación de la energía interna es independiente de la trayectoria, por tanto:

∆U= 30 calT= Q - ∆UT= 42 cal – 30 cal = 12 cal

c. Como ∆U= Uf – Ui, la energía interna final es:Uf =∆U+ Ui

Uf = 12 cal + 10 cal = 22 cal

d. El calor cedido del ambiente en el recorrido de regreso de fi es:Q= T + ∆UQ= (-13 cal) + (-10 cal) = -23 cal

EJERCICIOS SOBRE:“LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA”

a. La eficiencia de una maquina es del 24 % y realiza un trabajo de 400 cal. ¿Cuánto calor absorbe cada ciclo? ¿Cuánto calor cede?

Solución:

Qc = = 2400 cal

El calor absorbido es de 2400 cal.T = Qc – Q fQ f = Qc – TQ f= 2400 cal – 480 cal = 1920 cal.

b. Una maquina de Carnot cuyo foco caliente esta a temperatura de 127 toma 100 cal a esta temperatura en cada ciclo y devuelve 40 cal al deposito de baja temperatura. ¿Cuál es la temperatura de foco frio?

En una máquina de Carnot se cumple que :

donde la temperatura es absoluta.

Tf = 160

Solución:

FAVOR PRESTAR ATENCION A LOS PROBLEMAS SIGUIENTES

GRACIAS POR SU ATENCION

Calle 14

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