Download 1.2 - Colegio del Sagrado Corazón

COLEGIO DEL SAGRADO CORAZÓN.
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS.
ASIGNATURA: FÍSICA 11º
NOMBRE DEL ESTUDIANTE: _______________________________
Esta guía tiene como objetivo que el estudiante:
Aprenda a escuchar a sus compañeros y a pedir la palabra con respeto.
Participe activamente en la clase, aportando sus ideas e inquietudes, contribuyendo de esta manera a crear un ambiente
adecuado de trabajo.
Identifique las características de la termodinámica.
Resuelva problemas a partir de la caracterización de la termodinámica.
1.2 Termodinámica.
Es el estudio de las relaciones entre diferentes propiedades de la materia que dependen de la temperatura. Se
basa sobre dos leyes deducidas de la experiencia sin tener en cuenta la estructura interna de la materia.
La primera ley de la termodinámica asegura la conservación de la energía total, mecánica y calorífica, y su
posible transformación con de un tipo en otro. Sin embargo, la experiencia muestra que todo el trabajo puede
transformarse en calor, mientras que éste no puede convertirse totalmente en trabajo, También la experiencia
enseña que el calor siempre pasa del cuerpo más caliente al menos caliente al menos caliente. Esta dirección o
sentido de los fenómenos naturales es la esencia de la segunda ley de la termodinámica. La primera ley permite
las transformaciones de energías, la segunda limita estas modificaciones en cierto sentido.
17.1 conceptos fundamentales
Sistema: Es una porción de materia bien definida y que puede considerarse limitada por una superficie cerrada,
real o imaginaría (el gas contenido en un recipiente, cierta cantidad de líquido en una tubería, etc.). La región no
incluida en el sistema constituye el exterior o alrededores o ambiente. Si el sistema no intercambia energía con
el exterior, se llama aislado.
Equilibrio termodinámico de un sistema: El equilibrio termodinámico, o estado de un sistema, está
determinado por los valores de la presión, volumen, temperatura y cantidad de sustancia que un sistema puede
tener, cuando este está en equilibrio mecánico, térmico y químico.
Esas cantidades se llaman parámetros o variables del sistema. Como existen ecuaciones que unen esas
variables, por ejemplo, la ecuación de estado de un gas perfecto, no todas ellas son independientes; en otras
palabras, conocidas algunas variables, se pueden determinantes las otras.
Transformación: Se llama transformación o proceso de un sistema a toda modificación de estado, es decir, a
todo cambio en los valores de las variables que lo determinan. Como no todas las variables son independientes,
el cambio de los parámetros en un proceso no es arbitrario.
Convención de signos
Se acostumbra para efectos de experimentos y situaciones reales utilizar la siguiente convención de signos:
1.
El trabajo realizado por un sistema se considera positivo, mientras que el trabajo realizado sobre el
sistema se considera negativo.
2. El calor que recibe el sistema se considera positivo, mientras que el entregado al exterior se considera
negativo.
Primera ley de termodinámica
Se ha demostrado experimentalmente que si un sistema cambia de un estado 1 a un estado 2 de cualquier
manera, siguiendo cualquier trayectoria, la cantidad de calor recibida por el sistema menos el trabajo realizado
per él es una constante, la cual es la variación de la energía interna entre el estado 2 y el estado 1. Como
consecuencia esto lo podemos expresar así:
Es conveniente expresar las magnitudes en Jules o caloría.
Además en un sistema aislado, el cual se define como aquel que no tiene intercambio de energía con el exterior,
se tiene que para cualquier proceso en el interior del sistema Q = 0, W = 0, esto quiere decir según la primera
ley de la termodinámica que ∆U = 0, la energía interna del sistema es constante.
Una aplicación directa de la primera ley de la termodinámica se hace en los siguientes procesos:
1. Proceso cíclico: este se refiere a cuando un sistema pasa por una serie de procesos y vuelve a su estado
inicial, esto da como consecuencia de que las energías sean iguales y que el trabajo se igual al calor.
2. Proceso adiabático: este proceso se refiere a cuando el sistema no gana ni pierde calor, es decir, es
igual a 0, esto se logra envolviendo o rodeando el sistema con un material aislante. Esto trae como
consecuencia:
3. Proceso isócoro: este proceso es el que se realiza a volumen constante, esto trae como consecuencia:
4. Proceso isobárico: es aquel que se realiza a presión constante, como consecuencia tenemos la siguiente
expresión :
5. Proceso isotérmica: es aquel que se realiza a temperatura constante, el volumen, el calor y el trabajo no
se hace 0, es decir no son nulas. Hay un caso especial, la energía interna de un gas perfecto depende solo
de la temperatura y esto trae como consecuencia que :
6. Proceso de estrangulación: este sucede cuando se le aplica presión constante a un fluido, y este se
expande a través de un pequeño orificio o apertura en la cual la presión es menor, en este proceso no
existe intercambio de calor con el exterior, como consecuencia podemos anotar que:
Trabajo realizado sobre el sistema,
trabajo realizado por el sistema.
El trabajo neto será:
Máquinas térmicas
Una maquina usada con motor adsorbe calor de un foco caliente, y por medio de una sustancia que trabaja
efectuara un trabajo y sede de calor a un foco a una temperatura más baja. Podemos representar por medio de
una diagrama de flujo las transformaciones que se dan en los procesos térmicos, se representa con un circulo la
máquina o motor, y con flechas los flujos de calor, y el trabajo.
También un máquina térmica se puede representar o se puede utilizar como un refrigerador. El cual se
representa con un cuadrado, toma el calor del foco frío y con un aporte de trabajo del exterior entrega calor al
foco caliente. El rendimiento o eficiencia de una máquina es la razón del trabajo realizado al calor suministrado
por el foco caliente, es decir el rendimiento es igual a:
Segunda ley de la termodinámica
Con el tiempo se ha pretendido que las máquinas den rendimiento del 100%, es decir que las máquinas tomaran
el calor de un foco y lo transformara todo a trabajo, o también que transportara el calor de un foco frío a uno
caliente sin que realizara trabajo, estos procesos son imposibles de realizar porque violan la primera ley de la
termodinámica.
La segunda ley de la termodinámica se resume en los siguientes enunciados
1) El calor fluye de un foco caliente a un foco frío y no viceversa.
2) En un proceso cíclico que absorba calor de un foco es imposible que lo convierta todo en trabajo.
Máquina de Carnot.
El francés Carnet estudió las máquinas que podían trabajar con temperatura extremas y demostró lo siguiente:
1) Todas las maquinas reversibles tienen el mismo rendimiento, y que este rendimiento es máximo.
2) La razón de los calores sólidos y absorbidos es igual a:
=
Dedujo una expresión para el entendimiento de estas máquinas que depende exclusivamente de las
temperaturas, matemáticamente se expresa así:
PROBLEMAS
1) Un gas cuyo volumen inicial es 2 m2 se expande, a presión constante de 20 N/m2,hasta ocupar un volumen
de 6m3. ¿Cuál es el trabajo que realiza el gas?
2) Un gas cuyo volumen inicial es 6 litros se comprime, a presión atmosférica constante, hasta ocupar un
volumen de 2 litros, ¿Cuál es el trabajo que realiza el gas?
3) Durante cierto proceso se suministraron a un sistema 500 calorías, mientras el sistema realiza un trabajo de
200 calorías, ¿Cuál es la variación de energía interna?
4) Se considera un gas en el estado a, con una presión de 3 x 105 N/m3 y un volumen de dos litros. El gas
recibe 1000 J de calor y pasa de a hasta b a volumen constante, hasta duplicar su presión; después recibe
2000 J de calor a presión constante, hasta duplicar su volumen, y pasa desde b hasta c , luego cede al
ambiente 1200J de calor a volumen constante, hasta que la presión regresa a su valor original y pasa de c a
d; finalmente, a presión constante, regresa a su estado inicial. Representar los diferentes procesos en un
diagrama p – V y calcular el trabajo neto hecho por el gas.
5) En el problema anterior, se toma como energía interna Ua= 0, ¿Cuáles son los valores de Ub´ , Uc´ , Ud´ ?
6) Una maquina térmica opera entre 500 y 300, recibe 500 calorías y cede 3500 calorías.
a) ¿Cuál es el rendimiento térmico de esta máquina?
b) ¿Cuál sería el rendimiento de una maquina de Carnot que trabajara entre los, mismos focos?
EST1
1. En cierto proceso se suministra a una sustancia, de energía interna 100 J, una cantidad de calor de 400 J,
y al mismo tiempo se realiza sobre ella un trabajo de 200J. ¿Cuál es la energía interna final?
2
P(N/ m )
A
B
B
C
1
2
3
V (m3)
Las preguntas 2 a 4 se refieren a la siguiente información: Un recipiente de volumen V contiene un mol de un
gas perfecto a la presión p. Se le suministra una cantidad de calor Q y el gas sufre una variación de volumen v a
la presión constante p.
2. ¿Cuál es el trabajo realizado por el gas?
3. ¿Cuál es la variación de energía interna del gas?
4. ¿Cuál es la variación de la temperatura del gas?
Las preguntas 5 a la 11 se refieren a la siguiente información:
La figura 2.19 representa en un diagrama P-V el ciclo experimentado por un gas. La energía interna en A es 0 j
y en B es 15 j.
5. ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas de A a B?
6. ¿Cuál es el calor suministrado al gas de A a B?
7. Si el gas recibe 45J de calor de B a C, ¿Cuál es la energía interna en C?
8. ¿Cuál es el trabajo realizado por el gas de C a A?
9. ¿Cuál es el calor suministrado al gas de C a A?
10. ¿Cuál es el trabajo neto efectuado por el gas en este ciclo?
11. ¿Cuál es el rendimiento térmico de este ciclo?
Las preguntas 12 a 14 se refieren a la siguiente información: Un motor de Carnot recibe, de un foco a 727°C,
10000 cal; realiza un trabajo y cede cierta cantidad de calor a un foco a 27°C.
12. ¿Cuál es el rendimiento térmico de este motor?
13. ¿Cuál es el trabajo realizado?
14. ¿Qué cantidad de calor es cedida al foco frio?
15. Un motor de Carnot opera entre un foco de vapor de agua a 100°C y un lago congelado. Si se funden
273 g de hielo por cielo, ¿qué cantidad de vapor aproximadamente se condensa por el ciclo? ( calor de
fusión , 80 cal/; calor de condensación, 540 cal/g)
TEST 2
1. Un gas se expande 2 m3 a la presión constante de 100 N/m2. El trabajo que realiza el gas es:
2. Si durante el proceso de la pregunta anterior se suministraron al gas 500 julios de calo, ¿en
cuánto aumento la energía del gas?
3. En cierto proceso, un gas regresa a su estado inicial. Si durante el proceso se suministraron al
gas 100 calorías de calor, el trabajo que realzo el gas es:
Las preguntas 4 a 8 se refieren a la siguiente información: Se considera un gas cuya energía interna
aumento 100J cuando pasó del estado A la B.
4. Si el proceso del estado A al B se hizo a volumen constante, ¿qué trabajo realizó el gas?
5. Si el proceso del estado A al B se hizo a volumen constante, ¿qué calor se suministra al gas?
6. Si el proceso del estado A al B es adiabático (en donde no hay intercambio de calor con l
exterior). ¿qué trabajo realiza el gas?
7. Si el proceso del estado A al B se hace a presión constante de 30N/m2 y el gas aumenta su
volumen 2 m3, ¿qué trabajo realizó el gas?
8. En la pregunta anterior, ¿qué calor se suministra al gas?
9. Una máquina de Carnot recibe 5000 cal y cede 200. ¿Cuál es el rendimiento de esta máquina?
10. Si la temperatura del foco caliente es 1000 K. ¿cuál es la temperatura del foco frío, de la
máquina de la pregunta anterior?