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Grado 11
Ciencias naturales
Unidad 4
¿ Cómo se relacionan los
componentes del mundo?
Tema
¿Cómo se manifiesta la energía
interna a escala atómica y
molecular?
Nombre:
Curso:
Máquinas térmicas
Lee con atención la siguiente información y contesta
las preguntas planteadas.
El primer registro de un artefacto accionado por el
poder del vapor corresponde a un invento del físico y
matemático griego Herón de Alejandría. Hace unos 2000
años él construyó una esfera metálica con dos boquillas
opuestas, cuando se introducía vapor en la bola esta daba
vueltas. Herón expuso su invento en el ceratium un museo
de Atenas donde entretuvo a los visitantes durante años,
aunque solo fue considerado un juguete interesante.
El momento en que la máquina de vapor entra en la
historia de la humanidad es cuando marca el comienzo de
la Revolución Industrial. Gracias a esta máquina, se redujo
el uso de fuentes primarias de energía como el viento, el
agua y el músculo animal y humano para llevar a cabo
diversas actividades comerciales. Las primeras máquinas
de vapor se usaron para impulsar máquinas de fábricas,
trenes, carros y tractores. La máquina de vapor es un
motor de combustión externa en el cual un émboloes
accionado por acción de la entrada de vapor por cada uno
de sus extremos. El vapor se genera en una caldera en un
recipiente metálico donde se calienta agua usando madera,
carbón, aceite o gas natural como combustible.
A principios del siglo XXVIII, en 1705, dos ingenieros
británicos Thomas Savery y Thomas Newcomen crearon
una máquina de vapor que podía utilizarse para bombear
el agua de las minas de carbón inundadas,empleaba un
émbolo que subía y bajaba dentro de un cilindro hueco.
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
En la década de 1760 James Watt desarrolló la máquina de vapor más famosa del siglo XVIII. Watt
era un profesor de la universidad de Glasgow que aportó varias mejoras haciéndola mucho más
práctica para mover maquinaria, su regulador centrifugo de bolas se expandía a medida que el
motor iba más rápido la fuerzas centrifuga hacia que las pesadas bolas metálicas se separaran
cerrando una válvula que lo desaceleraba y a medida que se expandía controlaban el movimiento
del vapor en el cilindro, en 1800 más de 1500 máquinas de vapor funcionaban en Europa y Estados
Unidos, además de bombear el agua de las minas también impulsaban las máquinas de las fábricas.
Hoy en día, las máquinas de vapor que reinaban
en el siglo XVIII, el XIX y a inicios del XX solo
las podemos ver en los museos, pero una forma
mejorada de esta, la turbina de vapor, es lo que
encontramos en la mayoría de las centrales
eléctricas del mundo. La turbina de vapor es
como un molino, con la diferencia que sus aspas
son movidas por vapor de alta presión en vez de
viento.
Resuelve:
1. ¿Cómo crees que es el funcionamiento de una máquina de vapor? Explícalo mediante un dibujo
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
2. Recuerdas las aplicaciones que se le daban a la máquina de vapor. ¿Descríbelas?
3. Recuerdas el nombre de la persona que inventó la máquina de vapor, escríbelo y comenta la
aplicación que le dio.
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
4. Explica cuáles fueron los avances que sufrió la máquina de vapor.
»» Explicar los principios teóricos y prácticos de la teoría de la termodinámica
Actividad 1: Primera ley de la termodinámica
Lee con atención la siguiente información
Un señor está tratando de prender fuego mediante la fricción
como se ilustra en la siguiente imagen
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
¿Por qué se produce calor al friccionar dos objetos como se muestra en la imagen?
Se logra mediante la conservación de la energía. La conservación de energía, constituye la primera
ley de la termodinámica, en donde afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, solo
cambia de una forma a otra. En la imagen, actúa una energía mecánica (La energía mecánica
es la suma de la energía cinética y energía potencial) que se ve, en el movimiento del señor.
Esta se transforma en otra energía, que no se ve y que adquieren los átomos y moléculas al
moverse, llamada energía térmica y se manifiesta en forma de calor. Logrando así un proceso de
transformación y conservación de la energía.
La transformación de energía le permite al hombre utilizar la energía que lo rodea; así, busca
diversas fuentes de energía, renovables o no, y las transforma según sus necesidades. La
transformación de energía le permite al hombre, por ejemplo, utilizar una fuente de energía eólica,
renovable, para generar electricidad, que se transforma en calor a través de una estufa eléctrica
¿Cómo sabemos que la energía se puede convertir de una forma a otra, pero no se puede crear ni
destruir?
Sería imposible la validez de la primera ley de la termodinámica si tuviéramos que determinar el
contenido total de energía del universo, inclusive, sería muy difícil determinar el contenido total de
energía de 1gr de hierro. Por fortuna, podemos demostrar la validez de la primera ley midiendo solo
el cambio de la energía interna de un sistema cerrado entre su estado inicial y su estado final. El
cambio de la energía interna Δ∆E está dado por:
Δ
∆E = Ef – Ei
Donde Ei y Ef representan la energía interna inicial y final del sistema.
En nuestra vida cotidiana se evidencian dos formas de experimentar los cambios de energía, en
forma de calor y trabajo. Entonces, la energía interna de un sistema puede aumentarse o disminuir
de varias maneras, vamos a describir algunas.
Añadiéndole o quitándole calor (q). Si Ei es la energía interna inicial y Ef es la energía interna final,
el incremento está dado por Δ∆E es igual a q
Δ
Ef– Ei = ∆E = q
La segunda manera es produciendo un trabajo sobre el entorno(o sobre el sistema por parte del
entorno). Si es un sistema ni gana, ni pierde calor (q =0), pero realiza un trabajo (w) sobre el
entorno, entonces pierde energía en cantidad w:
Ef – Ei = Δ∆E = -w
Si un sistema absorbe calor del entorno y simultáneamente realiza un trabajo sobre él, entonces el
cambio de energía interna es
Δ
Ef – Ei = Δ∆E = q – w
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
¿Cuáles son los componentes de la energía interna del sistema?
Energía cinética y energía potencial. El componente de energía cinética consiste en los diversos
tipos de movimiento molecular y en el movimiento de los electrones dentro de las moléculas. La
energía potencial está determinada por las fuerzas de atracción de los electrones y los núcleos,
por las fuerzas de repulsión que los electrones y entre los núcleos de moléculas individuales por la
interacción entre las moléculas
Aunque no conocemos el contenido de energía interna de las moléculas, podemos medir con
exactitud el cambio en el contenido de energía ∆E
Ejemplo: Si un sistema absorbe 350 J y produce un trabajo de 200 J sobre el entorno ¿calcula su
energía interna?
w= 200 J
q= 350 J
Se sabe que al sistema ingresa calor (+q) y que luego lo disipa en forma de trabajo (-w), Luego
∆E = q – w = 350 J – 200 J = 150 J
∆E = 150 J
Soluciona el siguiente cuestionario de acuerdo a tus conocimientos adquiridos..
1. Completa la siguiente tabla
Energia
Inicial
Energia
Final
Aparato o
Mecanismo involucrado
Calorífica
Lupa
Cinética
Química
Caìda de cuerpo
Calorífica
Química
Motor de gasolina
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
2. Traza una línea relacionando la columna a con la columna b como indica el ejemplo.
Energía eléctrica a calorífica
Energía eléctrica a lumínica
Ene∆rgía química a mecánica
Energía eléctrica a mecánica
Energía química a eléctrica
Energía mecánica a calorífica
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
4. ¿Sobre un sistema actúa un trabajo de 50 ergios, lo cual induce al sistema a emitir 150 ergios. Encuentra la energía interna de dicho sistema.
5. ¿Será posible recuperar el etanol después del proceso de la combustión?
6. ¿Qué crees que representa la energía cinética y potencial dentro de la energía interna?
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
Actividad 2: Procesos termodinámicos y mezcla de gases
Lee con atención el siguiente texto y luego realiza el cuestionario
Cuando pones al fuego agua para preparar café, té o una sopa o cualquier cosa que se te ocurra.
Llega un momento en que empieza a hervir o a ebullir a una determinada temperatura. ¿Si yo
le subo la intensidad de la llama a la estufa, después de que haya hervido o ebullido el agua, la
temperatura de esta aumenta?
No, la temperatura no aumenta por más que le suministre calor.
Y cuando la temperatura de un sistema es constante, estamos hablando de un proceso de la
termodinámica llamado proceso Isotérmico
Un proceso isotérmico, es un proceso en donde el cambio de temperatura en el sistema es
reversible, siendo dicho cambio de temperatura constante en todo el sistema. La compresión o
expansión de un gas ideal en contacto permanente con un termostato es un ejemplo de proceso
isotermo, y puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de
capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce
como foco caliente. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el
gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas ideal sólo depende de la
temperatura y ésta permanece constante en la expansión isoterma, el calor tomado del foco es
igual al trabajo realizado por el gas:
Q=W
Una curva isoterma (figura 1) es una línea que sobre un diagrama representa los valores sucesivos
de las diversas variables de un sistema en un proceso isotermo: Las isotermas de un gas ideal en un
diagrama p – V , llamado diagrama De Clapeyron, son hipérbolas equiláteras, cuya ecuación es p.V
= contante
P
1
2
V
(Figura 1) Curva isoterma.
Vas a cocinar unos frijoles deliciosos, para ello necesitas la olla presión. A esta se le agrega los
frijoles, el adobo y el agua, tapas la olla y esperas un tiempo a que pite. Entonces ¿Cómo será el
comportamiento del volumen en la olla presión en el momento en que tapas la olla y la pones al
fuego hasta cuando realiza su primer pitazo es decir su primera escapada del aire?
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
El volumen permanece constante durante ese momento porque no hay escape del agua a sus
alrededores Y cuando el volumen de un sistema es constante, estamos hablando de un proceso de
la termoquímica llamado proceso Isocórico
Proceso isométrico o Isocórico: durante este proceso el volumen es constante, el gas absorbe una
cantidad de calor, aumentando por ende su temperatura hasta un valor final o en caso contrario; un
gas se enfría desde una temperatura inicial hasta una temperatura final manteniendo su volumen
constante y disipando una cantidad de calor (figura 2).
Un proceso que se efectúa a volumen constante sin que haya ningún desplazamiento, el trabajo
hecho por el sistema es cero, entonces se cumple w =0 y Δ∆E = Q
p (Pa )
B
Pa
A
PA
TB
TA
VV
(m³)
(Figura 2) Isocórico
¿Cómo será el comportamiento de la presión cuando entra en funcionamiento la válvula de escape
en la olla a presión?
La presión permanece constante durante la utilización de la válvula en la olla presión Y cuando la
presión de un sistema es constante, estamos hablando de un proceso de la termoquímica llamado
proceso Isobárico
Otro ejemplo es la ebullición del agua en un recipiente abierto. Como el contenedor está abierto,
el proceso se efectúa a presión atmosférica constante. En un diagrama P-V, un proceso isobárico
aparece como una línea horizontal. Si la presión no cambia este proceso ocurre a presión constante.
La Primera Ley de la Termodinámica, para este caso, queda expresada como sigue:
∆E = Q - P Δ∆V,
Dónde:
Q = Calor transferido.
∆E= Energía interna.
P = Presión.
∆V = Volumen.
(Figura 3) Primera ley de la termodinámica
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
Considera estas imágenes:
¿En qué te hace pensar cada una de ellas? Si pensaste en una mezcla de gases como el aire y el gas
natural, estas súper bien. Entonces si la mayoría de gases que conocemos se encuentran mezclados
¿Será que es difícil o fácil mezclar dos gases bajo las condiciones mínimas? ¿Cómoserá la presión
de estos dos gases mezclados?
Los gases tienen las partículas muy desunidas y separadas entre sí por lo que no tienen
inconveniente en moverse entre las partículas de otro gas. Dos o más gases siempre se mezclan
bien. Es por esto que en la naturaleza se encuentran muchas mezclas de gases.
Cada gas ideal (figura 4) componente de la mezcla, no interacciona o reacciona químicamente unos
con otros. La determinación de las propiedades de la mezcla gaseosa, se estiman a partir de las
propiedades físicas y químicas de los componentes individuales puros. En una mezcla de gases, la
presión total ejercida por los mismos es la suma de las presiones que cada gas ejercería si estuviese
solo en las mismas condiciones
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
(Figuras 4) Mezclas de gases
Cuestionario
¡Vamos! Anímate y escribe al frente de cada gráfica, fórmula o imagen el proceso termodinámico
al cual pertenecen.
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
10
15
20
0
0
2
20
10
15
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
2. ¡Como sabes! la presión de una mezcla de gases es la suma de las presiones individuales de
cada gas. Imagínate dos gases como el nitrógeno y helio gaseoso entrando a un recipiente
de 2L a una temperatura de 27°C uno con 0,5 y el otro con 0,3 moles respectivamente. Podrías
calcular la presión dentro del recipiente que contiene a estos gases
3. Si entendiste el comportamiento de la presión cuando se mezclan dos gases. Podrías decir como
es el comportamiento del volumen final de la mezcla.
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
Forma grupos y dibuja un gráfico p-v de cualquiera de los tres procesos y los otros grupos van a
adivinar a que proceso termodinámico pertenece la gráfica
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¿Cómo se manifiesta la energía interna a
escala atómica y molecular?
Si ya diferencias y entiendes los procesos termodinámicos, ahora consigue una aplicación para cada
uno de ellos, recuerda que son tres:
a. Proceso isotérmico
b. Proceso isobárico
c. Proceso Isocórico
Lista de referencias
Mcmurry McMurry, J., Química Orgánica, 5ª. Edición, México, Ed. International Thomson Editores,
S.A. de C.V., 2001.
Armando Pedrozo Julio. Exploremos la química 11, Prentice Hall
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escala atómica y molecular?
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escala atómica y molecular?