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La primera ley de la termodinámica identifica el calor como

una forma de energía.

Esta idea, que hoy nos parece elemental, tardó mucho en abrirse

camino y no fue formulada hasta la década de 1840, gracias a las

investigaciones de Mayer y de Joule principalmente.

Anteriormente, se pensaba que el calor era una sustancia

indestructible y sin peso (el calórico) que no tenía nada que ver con

la energía.

El primer reconocimiento del principio de conservación, por Leibniz

en 1693, se refería sólo a la suma de la energía cinética (½mv2) y la

energía potencial (mgh) de una masa mecánica simple situada en el

campo gravitacional terrestre.

Energía

En la práctica, en las situaciones no-relativistas, se tiende, en

primera aproximación (normalmente muy buena), a descomponer

la energía total en una suma de términos que se llaman las

diferentes formas de la energía…

La energía potencial y la energía cinética son dos elementos a

considerar, tanto en la mecánica como en la termodinámica.

Estas formas de energía se originan por la posición y el

movimiento de un sistema en conjunto, y se conocen como la

energía externa del sistema.

La energía interior de la materia, energía asociada con el estado

interno de un sistema que se llama energía interna. Cuando se sabe

un número suficiente de datos termodinámicos, como por ejemplo,

temperatura y presión, se puede determinar el estado interno de un

sistema y se fija su energía interna.

La energía interna de un sistema, es el resultado de la energía

cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energía

de rotación y vibración, además de la energía potencial

intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio,

electromagnético y nuclear, que constituyen conjuntamente las

interacciones fundamentales. Al aumentar la temperatura de un

sistema, sin que varíe nada más, aumenta su energía interna.

La energía cinética es una forma de energía debida al movimiento de

los cuerpos. Equivale al trabajo que es necesario realizar para que el

cuerpo pase del estado de reposo ( v = 0 ) al estado de desplazamiento

con una velocidad v.

La energía potencial puede pensarse como la energía almacenada

en un sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede

entregar. Más rigurosamente, la energía potencial es un campo escalar

(es decir, una función de la posición) asociado a una fuerza, y tal que

la diferencia entre los valores del campo en dos puntos A y B es igual

al trabajo realizado por la fuerza para cualquier recorrido entre B y A.

En general la energía total, ET , de un sistema puede

descomponerse en energía de masa, Em, energía cinética, Ek,

energía potencial, Ep, y energía interna, U, es decir,

ET = Em + Ek + Ep + U

donde

La energía potencial depende de los campos externos a los que

está sometido el sistema y viene dada por una función de la

posición, y la energía interna U que considera la energía de las

partículas que constituyen el sistema y sus interacciones a corta

distancia.

En realidad, esta descomposición permite distinguir entre las

formas de energía 'mecánica' (Em, Ek y Ep) y una forma de energía

'termodinámica' (U) que tiene sentido para un sistema estadístico

constituido por un gran número de partículas.

2

2

2

1mvE

mcE

k

m

El cambio de energía total del sistema…

E = Ek + Ep + U

donde Ek y Ep representan el cambio de su energía externa,

cinética y potencial respectivamente, y U representa el cambio de

su energía interna, dada por la energía cinética y potencial de las

moléculas, átomos y partículas subatómicas que constituyen el

sistema.

Energía interna

La energía interna de un sistema, U, tiene la forma de energía

cinética y potencial de las moléculas, átomos y partículas

subatómicas que constituyen el sistema, es decir,

U = Ek int– Epint

donde la energía cinética interna es la suma de la energía cinética de

todas las partículas del sistema.

y la energía potencial interna es la suma de la energía potencial debida a

la interacción de todas las partículas entre si.

Medida de la energía

Sólo las diferencias de energía, en vez de los valores absolutos de

energía, tienen significación física, tanto a nivel atómico como en

sistemas macroscópicos. Convencionalmente se adopta algún estado

particular de un sistema como estado de referencia, la energía del

cual se asigna arbitrariamente a cero. La energía de un sistema en

cualquier otro estado, relativa a la energía del sistema en el estado de

referencia, se llama la energía termodinámica del sistema en ese

estado y se denota por el símbolo U.

Primera ley de la termodinámica

Para un sistema cerrado (de masa constante) la primera ley de la

termodinámica se expresa matemáticamente por medio de:

ET = Q - W

donde ET es el cambio total de energía del sistema, Q es el calor

agregado al sistema y W el trabajo realizado por el sistema.

La primera ley de la termodinámica expresa que el cambio

total de energía de un sistema cerrado es igual al calor

transferido al sistema, menos el trabajo efectuado por el

sistema.

Si se expande ET en la expresión de la primera ley, se obtiene

la ecuación

Ek + Ep+ U = Q - W

En el caso frecuente donde las energías potencial y cinética

(energía externa) del sistema no cambian, esta ecuación se

convierte en:

U = Q - W

o, en forma diferencial,

dU = dQ - dW

y todo el intercambio de energía con el entorno sirve para

cambiar sólo la energía interna.

Formas de intercambio de energía

Dependiendo del origen físico de las fuerzas aplicadas al sistema se

distinguen diferentes formas de trabajo realizado.

El trabajo tiene dimensiones de energía y representa un intercambio

de energía entre el sistema y su entorno.

Por convención se considera que el trabajo realizado por el sistema es

positivo y el trabajo efectuado sobre el sistema es negativo.a

sistema-entorno

Para sistemas cerrados, el intercambio de energía sistema-entorno

sólo puede ocurrir en dos formas: calor y trabajo.

Trabajo

El trabajo en termodinámica siempre representa un intercambio de

energía entre un sistema y su entorno.

Cuando un sistema sufre una transformación, este puede provocar

cambios en su entorno.

Si los cambios implican el desplazamiento (variación) de las

fuerzas que ejerce el entorno sobre el sistema, o más precisamente

sobre la frontera entre el sistema y el entorno, entonces ha habido

producción de trabajo.

CalorEl calor, al igual que el trabajo, se considera en termodinámica

como energía en tránsito a través de la frontera que separa a un

sistema de su entorno.

Sin embargo, a diferencia del trabajo, la transferencia de calor se

origina por una diferencia de temperatura entre el sistema y su

entorno y el simple contacto es el único requisito para que el calor

sea transferido por conducción.

No se considera el calor que se almacena en un sistema. Cuando se

le agrega energía en forma de calor a un sistema se almacena como

energía cinética y potencial de las partículas microscópicas que lo

integran. Las unidades de calor son las de trabajo y energía.

La convención de signos utilizada para una cantidad de calor Q es

opuesta a la que se utiliza para el trabajo.

El calor añadido a un sistema se da con un número positivo, en tanto

que el calor extraído de un sistema se da con un número negativo.

Las conclusiones termodinámicas en cuanto a las

posibilidades de cambio de un sistema están basadas en los

cambios que acompañan a las funciones de estado.

Propiedades de las funciones de estado:

Fijando los valores de algunas de ellas quedan fijadas todas

las demás.

Los cambios en las funciones de estado dependen sólo del

estado final e inicial.

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Ejemplos: T y P

Energía interna: Suma de

todas las Ec y Ep de las

partículas del sistema.

La variación de la energía

interna NO depende del

camino: ⇒ f(estado)

Funciones de estado

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CONSECUENCIAS DE LA 1A. LEY

Para un sistema aislado el cambio en la energía interna es

cero.

Puesto que para un sistema aislado Q = W = 0, U = 0.

En un proceso cíclico el cambio en la energía interna es cero.

En consecuencia el calor Q agregado al sistema es igual al

trabajo W realizado.

Q = W, U = 0

En un proceso cíclico el trabajo neto realizado por ciclo es

igual al área encerrada por la trayectoria que representa el

proceso sobre un diagrama PV.

APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY

Un trabajo es adiabático si no

entra o sale energía térmica

del sistemas, es decir, si Q = 0.

En tal caso:

U = - W

Expansión libre adiabática

Como Q = 0 y W = 0, U = 0

Un proceso a presión constante se denomina isobárico, el

trabajo realizado es: P (Vf – Vi).

Un proceso a volumen constante se llama isovolumétrico (o

isocórico), en tal proceso el trabajo es cero y entonces: U = Q

Un proceso a temperatura constante se llama isotérmico. Si

consideramos un gas ideal es trabajo es:

i

f

V

V

V

V

V

VnRTW

dVV

nRTPdVW

f

i

f

i

ln

Pi

Pf

Vi Vf

P

f

i

PV = cte.

Isoterma

TRABAJO Y CALOR EN PROCESOS TERMODINÁMICOS

Gas contenido en un cilindro a una

presión P efectúa trabajo sobre un

émbolo móvil cuando el sistema

se expande de un volumen V a un

volumen V + dV.

dW = Fdy = PAdy

dW = PdV

LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en

la energía interna de un sistema es igual al trabajo realizado por

el sistema sobre sus alrededores, con signo negativo, más el

calor hacia el sistema:

U = UB - UA = - WA B + QA B

Esta ley es la ley de la conservación de la energía para la

termodinámica.

Para cambios infinitesimales la primera ley es:

dU = -dW + dQ

Si la cantidad Q – W se mide para diferentes trayectorias, se

encuentra que esta depende solo de los estados inicial y final.

El trabajo total cuando el volumen

cambia de Vi a Vf es:

f

i

V

VPdVW

El trabajo positivo representa una transferencia de energía eliminada

del sistema.

El trabajo efectuado en la expansión desde el estado inicial hasta el estado

final es el área bajo la curva en un diagrama PV.

TRAYECTORIAS

Pi

Pf

Vi Vf

i

f

P

V

Pi

Pf

Vi Vf

i

f

P

Pi

Pf

Vi Vf

P

f

i

El trabajo realizado por un sistema depende de los estados

inicial y final y de la trayectoria seguida por el sistema entre

dichos estados.

TRABAJO Y CALORPared

aislantePared

aislante

Posición

final

Posición

inicial

Vacío

Membrana

Gas a T1Gas a T1

Depósito de energía

La energía transferida por calor, al igual que el trabajo

realizado depende de los estados inicial y final e intermedios

del sistema.

EJEMPLO

Una muestra de gas ideal se expande al doble de su volumen original de 1.00 m3

en un proceso cuasi-estático para el cual P = aV2, con a = 5.00 atm/m6, como se

muestra en la figura. ¿Cuánto trabajo realiza el gas en expansión?

P = aV2

P

V1.00m3 2.00m3

i

f

TAREA

Un recipiente contiene un gas a una presión de 1.50 atm y un

volumen de 4.00 m3. ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas si

a) se expande a presión constante hasta el doble de su volumen

inicial? b) ¿Se comprime a presión constante hasta un cuarto de

su volumen inicial?

EJEMPLO

i

f

V

VnRTW ln

Un mol de gas ideal se mantiene a 0.0°C durante una expansión de 3 a 10

L, ¿Cuánto trabajo ha realizado el gas durante al expansión?

¿Cuánta energía se transfiere por calor con los alrededores en este

proceso?

Q = W

Si el gas regresa a su volumen original por medio de un proceso

isobárico, ¿Cuánto trabajo efectúa el gas?

W = P(Vf – Vi) = nRT/Vi(Vf – Vi)