Download Clase 40 - Termodinámica

FÍSICA I
GRADO
Ingeniería Mecánica
Prof. Norge Cruz Hernández
Examen parcial:
15-1-2016
Aula: 2.4
19:30
Movimiento vibratorio, Mecánica de fluidos,
Termodinámica I y II.
FÍSICA I
GRADO
Ingeniería Mecánica
Tema 7. Termodinámica: Primer principio
Prof. Norge Cruz Hernández
Tema 7. Termodinámica: Primer principio (3h)
7.1 Introducción
7.1 Conceptos básicos. Sistemas, estados y transformaciones
termodinámicas.
7.2 Equilibrio térmico y temperatura. Principio cero.
7.3 Termometría: propiedades termométricas. Escalas de temperatura.
7.4 Concepto de calor. Capacidades caloríficas y calores latentes.
7.5 Gas ideal
7.6 Trabajo termodinámico. Trabajo en procesos cuasiestáticos.
7.7 Primer principio de la termodinámica. Energía interna.
Bibliografía
Clases de teoría:
- Física Universitaria, Sears, Zemansky, Young, Freedman
ISBN: 970-26-0511-3, Ed. 9 y 11.
Clases de problemas:
-Problemas de Física General, I. E. Irodov
-Problemas de Física General, V. Volkenshtein
- Problemas de Física, S. Kósel
-Problemas seleccionados de la Física Elemental, B. B. Bújovtsev, V.
D. Krívchenkov, G. Ya. Miákishev, I. M. Saráeva.
Libros de consulta:
-Problemas de Física, Burbano, Burbano, Gracia.
- Resolución de problemas de física, V.M. Kirílov.
Tipos de procesos termodinámicos
Proceso adiabático: Es un proceso en el que no entra ni sale calor.
Q0
0  U  W
Proceso isocórico: Es un proceso que transcurre a volumen constante.
W 0
Q  U
Proceso isobárico: Es un proceso que transcurre a presión constante.
W  pV2  V1 
Q  U  pV2  V2 
Proceso isotérmico: Es un proceso a temperatura constante.
gas ideal
U T
Q W
Energía interna del gas ideal
U T
La energía interna del gas ideal, solamente
depende de su temperatura.
gas ideal
U  K  Ep
i
i
K  nRT
2
i 3
U K
:grado de libertad del sistema.
gas monoatómico
Grado de libertad: El número de componentes de velocidad necesarios
para describir el movimiento de una molécula.
Principio de equipartición de la energía: Cada grado de libertad tiene
una energía asociada por molécula de valor: 1 kT
2
Capacidad calorífica
CV: Capacidad calorífica molar a volumen constante.
Cp: Capacidad calorífica molar a presión constante.
CV
Q  U  W
Q  U
dQ  dU
dU  nCV dT
dQ  nCV dT  pdV
Cp
nC p dT  nCV dT  pdV
dQ  nCV dT  pdV
Cp
nC p dT  nCV dT  pdV
gas ideal
pV  nRT
pdV  nRdT
nC p dT  nCV dT  nRdT
C p  CV  R
Proceso adiabático del gas ideal
0  dU  dW
dU  CV ndT
dW  pdV
CV ndT   pdV
nRT
CV ndT  
dV
V
dT R dV

0
T CV V
dT C p  CV dV

0
T
CV
V
dT C p  CV dV

0
T
CV
V
dT
dV
   1
0
T
V

Cp
CV
ln( T )   1ln( V )  cte
TV
 1
 cte

PV  cte
El gas ideal reduce su temperatura al expandirse de forma adiabática
FÍSICA I
GRADO
Ingeniería Mecánica
Tema 8. Termodinámica: Segundo principio
Prof. Norge Cruz Hernández
Tema 8. Termodinámica: Segundo principio. (2h)
8.1 Introducción
8.1 Necesidad de un segundo principio. Irreversibilidad de los procesos
naturales.
8.2 Motores térmicos. Rendimiento. Enunciado de Kelvin-Planck del
segundo principio.
8.3 Máquinas frigoríficas. Eficiencia. Enunciado de Clausius del
segundo principio.
8.4 Equivalencia entre los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius.
8.5 Procesos reversibles e irreversibles.
8.6 Ciclo de Carnot. Teorema de Carnot. Escala absoluta de
temperatura.
8.7 Entropía y segundo principio.
Bibliografía
Clases de teoría:
- Física Universitaria, Sears, Zemansky, Young, Freedman
ISBN: 970-26-0511-3, Ed. 9 y 11.
Clases de problemas:
-Problemas de Física General, I. E. Irodov
-Problemas de Física General, V. Volkenshtein
- Problemas de Física, S. Kósel
-Problemas seleccionados de la Física Elemental, B. B. Bújovtsev, V.
D. Krívchenkov, G. Ya. Miákishev, I. M. Saráeva.
Libros de consulta:
-Problemas de Física, Burbano, Burbano, Gracia.
- Resolución de problemas de física, V.M. Kirílov.
Ley cero de la termodinámica: Si C está inicialmente en equilibrio
térmico con A y B, entonces A y B también están en equilibrio térmico
entre sí.
Primera ley de la termodinámica: Si entregamos a un sistema una
cantidad de calor Q, esta se empleará en aumentar la energía interna del
sistema y en que el sistema realice un trabajo W contra su entorno.
Q  U  W
El calor generado en la quema de carbón o de madera se emplea una
parte en elevar la temperatura del agua y otra parte en hacer trabajo para
mover la locomotora.
Flujo de calor: Sólo se produce de manera espontánea de un cuerpo
caliente a uno frío.
flujo de calor
se enfría
el café
se calienta
el café
flujo de calor
Este proceso no ocurre espontáneamente, aunque NO está prohibido
por la Primera Ley de la Termodinámica.
Procesos irreversibles: procesos que se
efectúan espontáneamente, pero no en el
sentido contrario.
Procesos reversibles: procesos que pueden
ocurrir en el sentido contrario. Procesos
idealizados, son procesos en equilibrio.
Proceso cíclico: Es una sucesión de procesos que al final deja la
sustancia en el estado en que inició el proceso.
p, V
p0 ,V0
p
Q W
W
 p0 ,V0    p,V 
Primera Ley
U  0
V
Diagrama esquemático de flujo de energía para una máquina de calor.
Depósito caliente: Fuente de calor. Puede dar a la sustancia grandes
cantidades de calor a la temperatura TC, sin cambiar apreciablemente su
propia temperatura.
Depósito frío: Puede absorber cantidades de calor de desechado por la
máquina a una temperatura TF.
Q  QC  QF
Q  QC  QF
Q W
Q  QC  QF
W  QC  QF
W
Rendimiento de la máquina:  
QC

QC  QF
QC
  1
QF
QC
La experiencia sugiere que es imposible construir una máquina de calor
que convierta calor totalmente en trabajo, es decir, que exista una
eficiencia del 100 %.
QF  0
 1
Segunda Ley de la Termodinámica: Es imposible que un sistema
efectúe un proceso en el que absorba calor de un depósito de
temperatura uniforme y lo convierta totalmente en trabajo mecánico,
terminando en el mismo estado en que inició.
Enunciado de Kelvin-Planck
  1
QF
QC
 1
Refrigerador: Es una máquina que toma calor de un lugar frio y lo cede
a un lugar menos frío.
QC  QF  W
W 0
Coeficiente de
eficiencia de la
máquina:
e
el trabajo se realiza por un
agente externo al sistema
QC  0
cantidad de calor que sale del
sistema al depósito caliente
QF  0
cantidad de calor que entra al
sistema desde depósito frío
QF
W
e
QF
QC  QF
Segunda Ley de la Termodinámica: Es imposible que un proceso tenga
como único resultado la transferencia de calor de un cuerpo más frío a
uno más caliente.
Enunciado de Clausius
W 0
e
QF
W

Flujo de calor: Sólo se produce de manera espontánea de un cuerpo
caliente a uno frío.
flujo de calor
se enfría
el café
se calienta
el café
flujo de calor
Este proceso no ocurre espontáneamente, aunque NO está prohibido
por la Primera Ley de la Termodinámica.
No podemos tener un sistema que funcione
solamente de una fuente de calor.
móvil perpetuo de
segunda especie
Se incumple el
enunciado de Kelvin-Planck
Ciclo de Carnot
Si tenemos una máquina de calor con temperaturas de los depósitos
caliente TC y frío TF. ¿Qué tanta eficiencia puede tener esta máquina?
Sadi Carnot (1796-1832)
Carnot contesto a esta pregunta fabricando una máquina idealizada que
tenía la máxima eficiencia posible. El ciclo de esta máquina era el ciclo
de Carnot.
sustancia de trabajo
es un gas ideal
Vb
QC  nRTC ln( )
Va
Vc
QF  nRTF ln( )
Vd
Vb
QC  nRTC ln( )
Va
Vc
QF  nRTF ln( )
Vd
 1
TCVb
 1
TCVa
 1
 TFVc
 1
 TFVd
Vb Vc

Va Vd
Vc
ln( )
Vd
QF
TF

QC
TC ln( Vb )
Va
QF
TF

QC
TC
QF
TF

QC
TC
QF
TF

QC TC
  1
QF
QC
TF
  1
TC
el rendimiento solamente
depende de las temperaturas de
los focos caliente y frío.
Refrigerador de Carnot
es el mismo ciclo de la máquina de
Carnot, pero en sentido contrario.
la eficiencia de la máquina:
e
TF
e
TC  TF
QF
QC  QF
e
1
QC
1
QF
Entropía y segundo principio.
Entropía: Es una medida del desorden. Es una función de estado del
sistema
En un proceso reversible, calculamos variación infinitesimal de la
entropía como:
dQ
dS 
T
Entonces, el cambio de entropía en un proceso reversible a distintas
temperaturas se puede obtener integrando la ecuación:
final
dQ
S  
T
inicial
S  0
S  0
Proceso reversible.
Proceso irreversible.
Segunda Ley de Termodinámica: No puede existir un proceso en los que
la entropía total disminuya, si se incluyen todos los sistemas que
participan.
S  0
La entropía nos da una medida cuantitativa de la irreversibilidad de los
procesos y de la eficiencia de nuestro proceso.