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Termodinámica
Ing. Eduardo Cruz Romero
Termología
• La sensación de calor o de frio esta estrechamente
relacionada con nuestra vida cotidiana, sin
embargo, el calor es algo mas que eso, en el siglo
XVIII los físicos lo consideraban como un fluido
invisible sin sabor, olor ni peso; lo llamaban
calórico y de el solo se conocían sus efectos.
• Cuando tocamos un cuerpo lo podemos sentir caliente o
frio según la temperatura que tenga, así como la
capacidad para conducir calor. Nuestro organismo no
detecta la temperatura, sino perdidas o ganancias de
calor, si sentimos que un cuerpo esta muy frio es porque
nuestro organismo le esta transmitiendo mucho calor.
Diferencia entre calor y temperatura
• La temperatura y el calor, están muy ligados, pero no son lo
mismo, cuando tocamos un cuerpo lo podemos sentir caliente o
frio según la temperatura que tenga, así como de su capacidad
para conducir el calor, es por ello que si, coloca sobre una mesa
un bloque de madera y una placa de metal, al tocar la placa de
metal la siente mas fría porque condice mejor el calor de su
cuerpo que la madera, no obstante, los dos tienen la misma
temperatura.
• La
magnitud física que indica que tan caliente o fría es una
sustancia respecto a un cuerpo que se toma como base o patrón
es la temperatura.
• Cuando se suministra calor a una sustancia, no solo se eleva su
temperatura, sintiéndose mas caliente, también produce
alteraciones en varias de sus propiedades físicas, por tanto al
variar la temperatura la sustancias se dilatan o se contraen, si
resistencia eléctrica cambiar y si se trata de un gas, su presión
varia.
Medida de la temperatura
• Para medir la temperatura se utiliza el termómetro, su
funcionamiento se basa en el hecho que se presenta
cuando se pone en contacto dos cuerpos que están a
distintas temperatura, después de cierto tiempo
alcanzan la misma temperatura, es decir están en
equilibrio térmico.
El fenómeno de la dilatación de los fluidos se utiliza en la
construcción de los termómetros, existen diferentes tipos de
termómetros y el mas común es el de mercurio.
La escala de un termómetro de mercurio puede ser de 357° C
a -39° C.
Cuando se requiere medir temperaturas menores de -39° C
hasta de – 130° C se utiliza un termómetro de alcohol.
Para temperaturas aun menores, se usa el termómetro de
tolueno o de éteres de petróleo.
Cuando se necesita medir temperaturas altas se emplean los
termómetros de resistencia.
Escalas térmicas: Celsius, Kelvin y Fahrenheit
• El alemán Gabriel Fahrenheit (1686-1736) soplador de vidrio y
fabricante de instrumentos, construyo en 1714 el primer
termómetro, para ello, lo coloco a la temperatura mas baja que
pudo obtener, mediante una mezcla de hielo y cloruro de
amonio, marco el nivel que alcanzaba el mercurio, después al
registrar la temperatura del cuerpo humano volvió a marcar el
termómetro y entre ambas señales hizo 96 divisiones iguales.
Mas tarde observo que al colocar su termómetro en una mezcla
de hielo en fusión y agua, registraba una lectura de 32°F y al
colocarlo en agua hirviendo leía 212°F.
• En 1742 el biólogo sueco Andrés Celsius (1701-1744) baso
su escala en el punto de fusión del hielo (0° C) y en el
punto de ebullición del agua (100°C) a la presión de una
atmosfera, ósea, 760 mm de Hg, es decir, dividió su
escala en 100 partes iguales cada una de 1°C.
• Años
después el ingles William Kelvin (1824 -1907)
propuso una nueva escala de temperatura, en la cual el
cero corresponde a lo que tal vez sea le mejor
temperatura posible llamada cero absoluto, en esta
temperatura la energía cinética de las moléculas es cero.
Dilatación de los Cuerpos
• Los cambios de temperatura afectan el tamaño de los cuerpos,
pues la mayoría de ellos se dilatan al calentarse y se contraen si
se enfrían, los gases se dilatan mucho mas que los líquidos y
estos mas que los solidos, en los gases y líquidos las partículas
chocan unas con otras en forma continua, pero si se calientan
chocaran violentamente rebotando a mayores distancias y
provocaran la dilatación, en los solidos las partículas vibran
alrededor de posiciones fijas, sin embargo, al calentarse
aumentan su movimiento y se alejan de sus centros de vibración
dando como resultado la dilatación.
Capacidad Calorífica
•A
partir de experimentos se han observado que al
suministrar la misma cantidad de calor a dos sustancias
diferentes, el aumento de temperatura no es el mismo, por
consiguiente, para conocer el aumento de temperatura que
tiene una sustancia cuando recibe calor, emplearemos su
capacidad calorífica, la cual se define como la relación
existente entre la cantidad de calor ∆Q que recibe y su
correspondiente elevación de temperatura ∆T.
∆𝑄
𝑐=
∆𝑇
Como el calor puede estar expresado en calorías, kcal,
joule, erg, btu, y la temperatura en °C, K o °F; las unidades
de la capacidad calorífica pueden ser en: cal/°C, kcal/°C,
J/°C, J/K, erg/°C, btu/°F.
• En
la determinación de la capacidad de la capacidad
calorífica de una sustancia debe especificarse si se hace a
presión o a volumen constante y se indicara de la siguiente
manera: Cp si es a presión constante, Cv si es volumen
constante. La capacidad calorífica de una sustancia tiene
mayor valor si se lleva a cabo a presión constante, que si es
realizada a volumen constante. Toda vez que al aplicar
presión constante a una sustancia, esta sufre un aumento en
su volumen, lo que provoca una disminución de su
temperatura y consecuentemente se necesitara mas calor
para elevarla.
•A
volumen constante, todo el calor suministrado a la
sustancia pasa a aumentar la energía cinética de las
moléculas, por tanto la temperatura, se incrementa con
mayor facilidad.
• Es
evidente que mientras mas alto sea el valor de la
capacidad calorífica de una sustancia, requiere mayor
cantidad de calor para elevar su temperatura.
Termodinámica
Termodinámica
• La termodinámica es la rama de la Física que se encarga
del estudio de la transformación del calor en trabajo y
viceversa, su estudio se inicio en siglo XVIII y sus
principios se fundamentan en fenómenos comprobados
experimentalmente.
Sistema termodinámico
• Es alguna porción de materia que separamos del resto
del universo por medio de un limite o frontera con el
propósito de poder estudiarlo.
Paredes diatérmicas y adiabáticas
• La frontera de un sistema puede estar constituida con
paredes diatérmicas o con paredes adiabáticas, una
pared diatérmica es aquella que permite la interacción
térmica del sistema con los alrededores, una pared
adiabática no permite que exista interacción térmica del
sistema con los alrededores.
Ley Cero de la Termodinámica
• Para comprender esta ley, observemos la siguiente figura:
• Esta ley nos explica que cuando un sistema se pone en
contacto con otros, al transcurrir el tiempo, la
temperatura será la misma, porque se encontraran en
equilibrio térmico, otra forma de expresar La Ley Cero de
la Termodinámica es la siguiente: La temperatura es una
propiedad que posee cualquier sistema termodinámico y
existirá equilibrio térmico entre dos sistemas
cualesquiera, si su temperatura es la misma.
Primera Ley de la Termodinámica
• Con el descubrimiento hecho por joule acerca del equivalente
mecánico del calor se demostró que la energía mecánica se
convierte en energía térmica, cuando por fricción aumenta la
energía interna de un cuerpo, y que la energía térmica se puede
convertir en energía mecánica si un gas encerrado en un cilindro
se expande y mueve un embolo, con esto, ha sido posible
establecer claramente la Ley de la Conservación de la Energía.
• Esta
ley, aplicada al calor, da como resultado el
enunciado de la primera ley de la termodinámica que
dice: La variación en la energía interna de un sistema es
igual a la energía transferida a los alrededores o por ellos
en forma de calor y de trabajo, por lo que la energía no se
crea ni se destruye, solo se transforma.
Matemáticamente la Primera ley de la Termodinámica se expresa como:
∆U = Q – W
Donde:
∆U = variación de la energía interna del sistema expresada en
calorías (cal) o joules (J).
Q = calor que entra o sale del sistema medido en calorías (cal) o
joules (J).
W = trabajo efectuado por el sistema o trabajo realizado sobre
este expresado en calorías (cal) o joules (J).
• El valor de Q es positivo cuando entra calor al sistema y
negativo si sale de el. El valor de W es positivo si el
sistema realiza trabajo y negativo si efectúa un trabajo
de los alrededores sobre el sistema.
• Así pues si un sistema acepta cierta cantidad de calor Q y
realiza un trabajo W sobre los alrededores, el cambio en
su energía interna será igual a: Q – W = ∆U.
Segunda ley de la Termodinámica
• La energía calorífica no fluye en forma espontanea de un sistema
frio a otro caliente, solo cuando se tienen dos sistemas con
diferentes temperaturas se puede utilizar la energía calorífica
para producir trabajo, el calor fluye espontáneamente del
sistema caliente al frio hasta que se igualan las temperaturas,
durante este proceso, parte del calor se transforma en energía
mecánica a fin de efectuar un trabajo, pero no todo el calor
puede ser convertido en trabajo mecánico.
• La primera ley de la termodinámica, como ya señalamos
estudia la transformación de la energía mecánica en
calorífica y la del calor en trabajo, sin imponer ninguna
restricción en estos cambios, en embargo, la segunda ley
de la termodinámica señala restricciones al decir que
existe un limite en la cantidad de trabajo, el cual es
posible obtener a partir de un sistema caliente.
• Existen dos enunciados que definen la Segunda Ley de la
Termodinámica, uno del físico alemán Rudolph J. E. Celsius:
El calor no puede por si mismo, sin la intervención de un
agente externo, pasar de un cuerpo frio a un cuerpo
caliente. Y otro del físico ingles William Thomson Kelvin: es
posible construir una maquina térmica que transforme en
trabajo todo el calor que se le suministra.
Conclusiones:
Primera y Segunda Ley de la Termodinámica.
• Las
leyes de la termodinámica son verdades universales
establecidas después de haber realizados numerosos
experimentos tanto cualitativos como cuantitativos. La primera
ley conocida como la ley de la conservación de la energía, afirma
que la energía existente en el universo es una cantidad constante.
Esta ley se confirma cuando Albert Einstein nos demuestra la
relación entre materia y energía.
• La segunda ley tiene aplicaciones importantes en el diseño
de maquinas térmicas empleadas en la transformación de
calor en trabajo, también es útil para interpretar el origen del
universo, pues explica los cambios energéticos que han
tenido y tendrá en un futuro, predice que dentro de billones
de años se producirá la llamada muerte térmica del universo,
la cual ocurrirá cuando toda la energía del universo a la de las
moléculas en movimiento y toda la materia tenga la misma
temperatura, al no existir diferencias de temperatura,
tampoco se producirá intercambio de calor entre los cuerpos
y los seres vivos se extinguirán.
Entropía y Tercera Ley de la Termodinámica
• La
entropía es una magnitud física utilizada por la
termodinámica para medir el grado de desorden de la
materia, en un sistema determinado, la entropía o
estado de desorden dependerá de su energía calorífica y
de como se encuentran distribuidas sus moléculas.
• Como en el estado solido las moléculas están muy próximas
unas de otras y se encuentran en una distribución bastante
ordenada, su entropía es menor si se compara con la del
estado liquido, y en este menor que en el estado gaseoso,
cuando un liquido es calentado las moléculas aumentan su
movimiento y con ello su desorden, por tanto, al evaporarse
se incrementa considerablemente su entropía, en general, la
naturaleza tiende a aumentar su entropía, es decir, su
desorden molecular.
• Como
resultado de sus investigaciones, el físico y químico
alemán Walther Nerts estableció otro principio fundamental de la
termodinámica llamado tercera ley de la termodinámica, dicho
principio se refiere a la entropía de las sustancias cristalinas y
puras en el cero absoluto de temperatura (0° K) y se enuncia de la
siguiente manera: la entropía de un solido cristalino puro y
perfecto puede tomarse como cero a la temperatura del cero
absoluto. Por tanto un cristal perfectamente ordenado a 0°K
tendrá un valor de entropía igual a cero. Cualquier incremento de
la temperatura por encima de 0° K, causa una alteración en el
arreglo de moléculas componentes de la red cristalina,
aumentando así el valor de la entropía.