INTRODUCCION A LA TERMODINAMICA
septiembre 19
2012
Si buscamos una definición sencilla de termodinámica podemos encontrar que la termodinámica es la rama de la física que estudia la energía, la transformación entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo.
DEFINICIONES
Tabla de contenido UNIDAD IV INTRODUCCION A LA TERMODINAMICA ............................................................................................... 3 4.1. DEFINICIONES ........................................................................................................................................................ 4 TERMODINAMICA ....................................................................................................................................................... 4 CALOR ........................................................................................................................................................................... 4 TEMPERATURA .......................................................................................................................................................... 4 ENERGIA....................................................................................................................................................................... 4 CALOR LATENTE ........................................................................................................................................................ 5 4.2. ESCALAS DE LA TEMPERATURA ...................................................................................................................... 5 ESCALA CELSIUS ....................................................................................................................................................... 5 ESCALA FAHRENHEIT .............................................................................................................................................. 5 ESCALA DE KELVIN ................................................................................................................................................... 5 CÓMO CONVERTIR TEMPERATURAS .................................................................................................................. 5 COMPARACIÓN ENTRE TEMPERATURAS .......................................................................................................... 6 CONVERSIÓN DE TEMPERATURAS ..................................................................................................................... 6 4.3. CAPACIDAD CALORIFICA .................................................................................................................................... 7 MEDIDA DE LA CAPACIDAD CALORIFICA ........................................................................................................... 8 4.4. LEYES DE LA TERMODINAMICA ........................................................................................................................ 8 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA .............................................................................................................. 8 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA ............................................................................................................. 9 TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA) (DE EQUILIBRIO): ... 9
UNIDAD IV INTRODUCCION A LA TERMODINAMICA Si buscamos una definición sencilla de termodinámica podemos encontrar que la termodinámica es la rama de la física que estudia la energía, la transformación entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo. Analiza, por lo tanto, los efectos que poseen a nivel macroscópico las modificaciones de temperatura, presión, densidad, masa y volumen en cada sistema. La base de la termodinámica es todo aquello que tiene relación con el paso de la energía, un fenómeno capaz de provocar movimiento en diversos cuerpos. La primera ley de la termodinámica, que se conoce como el principio de conservación de la energía, señala que, si un sistema hace un intercambio de calor con otro, su propia energía interna se transformará. El calor, en este sentido, constituye la energía que un sistema tiene que permutar si necesita compensar los contrastes surgidos al comparar el esfuerzo y la energía interior. La segunda ley de termodinámica supone distintas restricciones para las transferencias de energía que, en hipótesis, podría llevarse a cabo se tiene en cuenta la primera ley. El segundo principio sirve como regulador de la dirección en la que se llevan a cabo los procesos termodinámicos e impone la imposibilidad de que se desarrollen en sentido opuesto. Cabe destacar que esta segunda ley se respalda en la entropía, una magnitud física encargada de medir la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. La tercera ley contemplada por la termodinámica, destaca que no es posible lograr una marca térmica que llegue al cero absoluto a través de una cantidad finita de procedimientos físicos. Entre los procesos termodinámicos, se destacan isotérmicos (no cambia la temperatura), los isócoros (no cambia el volumen), los isobáricos (no cambia la presión), los adiabáticos (no hay transferencia de calor).
4.1. DEFINICIONES A continuación se darán los conceptos básicos y definiciones relacionadas con la termodinámica:
TERMODINAMICA Es la disciplina que dentro de la ciencia madre, la Física, se ocupa del estudio de las relaciones que se establecen entre el calor y el resto de las formas de energía. Entre otras cuestiones la termodinámica se ocupa de analizar los efectos que producen los cambios de magnitudes tales como: la temperatura, la densidad, la presión, la masa, el volumen, en los sistemas y a un nivel macroscópico. La base sobre la cual se ciernen todos los estudios de la termodinámica es la circulación de la energía y como ésta es capaz de infundir movimiento. Vale destacar que justamente esta cuestión fue la que promovió el desarrollo de esta ciencia, ya que su origen se debió a la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor. Entonces, desde este puntapié inicial, la termodinámica, se ha ocupado de describir cómo es que los sistemas responden a los cambios que se producen en su entorno, pudiéndose aplicar a una infinidad de situaciones, tanto de la ciencia como de la ingeniería, como ser: motores, reacciones químicas, transiciones de fase, fenómenos de transporte, agujeros negros, entre otras.
CALOR El calor es una forma de energía que los cuerpos almacenan (energía interna) que ocurre en función del estado de vibración de sus moléculas y depende de su estructura. La diferencia de temperatura existente entre los cuerpos hace que el calor se transfiera de un cuerpo a otro por rozamiento. El calor pasa del cuerpo más caliente al más frío. Cuando ambos cuerpos se hallan a la misma temperatura (equilibrio térmico) ya no hay más transferencia de calor. También puede lograrse el calentamiento de un cuerpo si le prendemos fuego; en este caso sería por liberación de energía de un sistema químico.
TEMPERATURA Se define como temperatura de un cuerpo la cantidad de energía que contiene su unidad de masa. No depende del tamaño del cuerpo ni de su material. A mayor temperatura tendremos mayor sensación de calor, a menor temperatura, sensación de frío. Un cuerpo caliente aporta mayor cantidad de energía. ENERGIA El concepto de energía está relacionado con la capacidad de generar movimiento o lograr la transformación de algo. En el ámbito económico y tecnológico, la energía hace referencia a un recurso natural y los elementos asociados que permiten hacer un uso industrial del mismo
CALOR LATENTE es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización).Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura; por tanto al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.
4.2. ESCALAS DE LA TEMPERATURA La temperatura es el nivel de calor en un gas, líquido, o sólido. Tres escalas sirven comúnmente para medir la temperatura. Las escalas de Celsius y de Fahrenheit son las más comunes. La escala de Kelvin es primordialmente usada en experimentos científicos.
ESCALA CELSIUS La escala Celsius fue inventada en 1742 por el astrónomo sueco Andrés Celsius. Esta escala divide el rango entre las temperaturas de congelación y de ebullición del agua en 100 partes iguales. Usted encontrará a veces esta escala identificada como escala centígrada. Las temperaturas en la escala Celsius son conocidas como grados Celsius (ºC). ESCALA FAHRENHEIT La escala Fahrenheit fue establecida por el físico holandés-alemán Gabriel Daniel Fahrenheit, en 1724. Aun cuando muchos países están usando ya la escala Celsius, la escala Fahrenheit es ampliamente usada en los Estados Unidos. Esta escala divide la diferencia entre los puntos de fusión y de ebullición del agua en 180 intervalos iguales. Las temperaturas en la escala Fahrenheit son conocidas como grados Fahrenheit (ºF). ESCALA DE KELVIN La escala de Kelvin lleva el nombre de William Thompson Kelvin, un físico británico que la diseñó en 1848. Prolonga la escala Celsius hasta el cero absoluto, una temperatura hipotética caracterizada por una ausencia completa de energía calórica. Las temperaturas en esta escala son llamadas Kelvin (K). CÓMO CONVERTIR TEMPERATURAS A veces hay que convertir la temperatura de una escala a otra. A continuación encontrará cómo hacer esto.
1. Para convertir de ºC a ºF use la fórmula: ºF = ºC x 1.8 + 32. 2. Para convertir de ºF a ºC use la fórmula: ºC = (ºF-32) ÷ 1.8. 3. Para convertir de K a ºC use la fórmula: ºC = K – 273.15 4. Para convertir de ºC a K use la fórmula: K = ºC + 273.15. 5. Para convertir de ºF a K use la fórmula: K = 5/9 (ºF – 32) + 273.15.
6. Para convertir de K a ºF use la fórmula: ºF = 1.8 (K – 273.15) + 32.
COMPARACIÓN ENTRE TEMPERATURAS A continuación encontrará algunas comparaciones comunes entre temperaturas de las escalas Celsius y Fahrenheit. TEMPERATURA
ºC
ºF
Punto Ebullición Agua
100
212
Punto Congelación Agua
0
32
Temperatura Corporal Promedio del Cuerpo Humano
37
98.6
Temperatura ambiente confortable
20 a 25
68 a 77
CONVERSIÓN DE TEMPERATURAS Las siguientes fórmulas asocian con precisión las diferentes escalas de temperatura: (Cabe destacar que también están incluidas otras escalas de temperatura como RANKINE, REAUMUR, GRADO ROMER, NEWTON y DELISLE).
Kelvin
Grado Celsius
Grado Fahrenheit
Rankine
Grado Réaumur
Grado Rømer
Grado Newto n
K = (Ro - 7,5) K =
Kelvin
K = Re + 273,15
Grado Celsius
Grado Fahren heit
C = (F - 32)
- 459,67
F=C
+ 32
C = (Ra - 491,67)
C = Re
F = Re 32
+
Grado Delisle
K = 373,15 -
+ 273,15
N + 273,15
De
C = (Ro -
C=
C = 100 - De
7,5)
N
F = (Ro -
F=
7,5) 32
+
N 32
F = 121 +
De
Rankin e
Ra = (C + 273,15)
Grado Réaum ur
Grado Rømer
Grado Newto n
Grado Delisle
Ra = Re 491,67
Re = C
Re = (F - 32)
+
Re = (Ra - 491,67)
Ra = (Ro -
Ra =
7,5) + 491,67
N + 491,67
De
Re = (Ro -
Re =
Re = 80 - De
7,5)
N
Ro =
Ro = Ro =(K - 273,15)
N = (K - 273,15)
De = (373,15 - K)
+7,5
Ro = C
+7,5
N=C
De = (100 - C)
Ro = (F - 32)
N = (F - 32)
De = (121 - F)
+7,5
Ro = Ra - 491,67
N = (Ra - 491,67)
De = (580,67 - Ra)
+7,5
Re
Ra = 171,67 -
N 5
+7,5
N = Re
Ro = 60 - De +7,
N = (Ro -
N = 33 -
7,5)
De
De = (80 -
De = (60 -
De = (33 -
Re)
Ro)
N)
4.3. CAPACIDAD CALORIFICA La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar una unidad de temperatura (SI: 1 K) de una determinada sustancia, (usando el SI). Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión. La capacidad calorífica no debe ser confundida con la capacidad calorífica específica o calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo «para almacenar calor», y es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa del objeto. El calor
específico es una propiedad característica de las sustancias y depende de las mismas variables que la capacidad calorífica. MEDIDA DE LA CAPACIDAD CALORIFICA Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura resultante. La capacidad calorífica viene dada por:
Donde: C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de estado. es el calor absorbido por el sistema. la variación de temperatura Se mide en unidades del SI julios/K (o también en cal/°C).
4.4. LEYES DE LA TERMODINAMICA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Esta ley se expresa como: Eint = Q - W Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W) Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema. Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 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 la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinamica, que tiene dos enunciados equivalentes: Enunciado de Kelvin - Planck : Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo. Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo. TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA) (DE EQUILIBRIO): "Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí". Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio térmico entre sí. Tercera Ley de la Termodinámica. La tercera ley tiene varios enunciados equivalentes: "No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos" Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de - 273,16ºC. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable. "La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero". "La primera y la segunda ley de la termodinámica se pueden aplicar hasta el límite del cero absoluto, siempre y cuando en este límite las variaciones de entropía sean nulas para todo proceso reversible".
