LEYES DE LA TERMODINAMICA LEY DE LA ENERGIA LEY DE LA ENTROPIA

Tamaño: px

Comenzar la demostración a partir de la página:

Download "LEYES DE LA TERMODINAMICA LEY DE LA ENERGIA LEY DE LA ENTROPIA"

Lorenzo Suárez Montes
hace 7 años
Vistas:

1 LEYES DE LA TERMODINAMICA LEY DE LA ENERGIA LEY DE LA ENTROPIA Joaquín Medín Molina Fisica general

2 FORMULACION SIMPLIFICADA DE LEYES TERMODINAMICAS PARA SISTEMAS PURAMENTE TERMICOS energia de cuerpo caliente flujo de calor energia de cuerpo frio LEY DE CONSERVACION DE ENERGIA. UN FLUJO DE CALOR AUMENTA LA ENERGIA DE EL CUERPO QUE LO ABSORBE EN LA MISMA MEDIDA QUE DISMINUYE LA ENERGIA DEL CUERPO QUE LIBERA EL CAOR LEY DE TENDENCIA AL EQUILIBRIO EL CALOR SIEMPRE FLUYE NATURALMENTE DEL CUERPO CALIENTE AL CUERPO FRIO HASTA ALCANZAR UN EQUILIBRIO

UN FLUJO DE CALOR AUMENTA LA ENERGIA DE EL CUERPO QUE LO ABSORBE EN LA MISMA MEDIDA QUE DISMINUYE LA ENERGIA

SISTEMA PUEDE ADQUIRIR ENERGIA TERMICA Y SUBIR SU

3 NECESIDAD DE AMPLIAR FORMULACION DE PRIMERA LEY PARA INCLUIR SISTEMAS TERMOMECANICOS corriente UN SISTEMA PUEDE ADQUIRIR ENERGIA TERMICA Y SUBIR SU TEMPERATURA MEDIANTE TRABAJO, SIN NECESITAR ABSORBER CALOR

4 FORMULACION MAS GENERAL DE PRIMERA LEY PARA SISTEMAS CERRADOS H E Potencia LA ENERGIA DE UN SISTEMA CERRADO SOLO CAMBIA MEDIANTE FLUJOS DE CALOR Y TRABAJO QUE NO ALTERAN LA ENERGIA TOTAL DEL UNIVERSO (SISTEMA MAS AMBIENTE) Cambio de energia del sistema= calor(q) que absorbe - trabajo(w) que hace sobre ambiente Ejemplo ilustrativo: sistema=gas dentro de un cilindro sellado durante 10 segundos H=3 julios/seg (vatios), Potencia= 2 julios/seg (vatios) suponemos que la energia inicial del sistema =100julios y que la energia inicial de fuente de calor=fuente de trabajo= 200 julios Hallar W,Q, E, Energias finales del sistema y de las fuentes y la energia del universo al inicio y al final del proceso.

dentro de un cilindro sellado durante 10 segundos H=3 julios/seg (vatios), Potencia= 2 julios/seg (vatios) suponemos que la energia inicial del sistema =100julios y que la

5 DETERMINACION DEl TRABAJO(W) Y DELCALOR(Q) PARA UN SISTEMA GASEOSO MEDIANTE LA PRIMERA LEY F= FUERZA CONTRA EL PISTON v= velocidad de espansión del pistón P= PRESION DEL GAS A= AREA DEL PISTON dv= cambio infinitesimal de volumen del gas PARA UN FLUIDO(GAS O LIQUIDO) PODEMOS INTERPRETAR TRABAJO COMO LA INTEGRACION DE LA PRESION A TRAVES DE UN CAMBIO EN VOLUMEN Ejemplo : expansión isotérmica de aire a temperatura de 27ºC : V1=1m^3, V2=2m^3, T=300K, n=40 moles,r=8.2j/k DETERMINACION DE W Y DE Q CON LA PRIMERA LEY =7E4 J Q=W=7E4J

LIQUIDO) PODEMOS INTERPRETAR TRABAJO COMO LA INTEGRACION DE LA PRESION A TRAVES DE UN CAMBIO EN VOLUMEN Ejemplo : expansión

6 1 LEY: LEYDE CONSERVACION DE ENERGIA: SISTEMAS ABIERTOS energia del ambiente temperatura del ambiente flujo de sustancias potencia química velocidad potencia mecanica fuerza potencia térmica ENERGIA: energia del sistema temperatura del sistema Propiedad acumulativa de un sistema que expresa su capacidad para generar cambios físicos propiedad que se conserva: lo que gana el sistema lo pierde el ambiente y viceversa propiedad intercambiable con el ambiente por tres procesos o flujos:flujo de sustancias quimicas(potencia quimica),flujo de trabajo(potencia mecanica) y flujo de calor(potencia termica) propiedad escalar que asume diversas formas que son mutuamente transformables Propiedad acumulativa que se conserva, pero que puede transformarse y / o pasar de un cuerpo a otro mediante trabajo, calor o un flujo de sustancias

ambiente y viceversa propiedad intercambiable con el ambiente por tres procesos o flujos:flujo de sustancias quimicas(potencia quimica),flujo de trabajo(potencia mecanica) y flujo de calor(potencia

7 FORMULACION GENERAL DE SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA LEY DE CRECIMIENTO DE LA ENTROPIA Q Sistema ambiente Universo=sistema + ambiente TODO SISTEMA MACROSCOPICO TIENE UNA PROPIEDAD,LA ENTROPIA, TAL QUE EN TODO PROCESO NATURAL SU VALOR PARA EL UNIVERSO CRECE(PROCESO IRREVERSIBLE) O PERMANECE IGUAL(PROCESO REVERSIBLE) S U S = U S + S = S A + S LA ENTROPIA, IGUAL QUE LA ENERGIA SE DEFINE POR SU CAMBIA EN UN PROCESO DEL SIGUIENTE MODO: Calor intercambiado por sistema con ambiente Unidades de S = cal / K Temperatura absoluta del sistema Q>0 si sistema absorbe calor y Q<0 si sistema libera calor A 0

IGUAL(PROCESO REVERSIBLE) S U S = U S + S = S A + S LA ENTROPIA, IGUAL QUE LA ENERGIA SE DEFINE POR SU CAMBIA EN UN PROCESO DEL SIGUIENTE MODO: Calor

8 CALCULO DE CAMBIO DE ENTROPIA DEL UNIVERSO EN PROCESO IRREVERSIBLE A TEMPERATURA AMBIENTAL DE 27ºc SISTEMA: 10 gm de hielo a 0ºC AMBIENTE: aire a 27ºC PROCESO: FUSION DEL HIELO >0 Q (calor absorbido del ambiente) Cubo de hielo Charco de agua Q calor latente 10g * 80cal / g S = = = = T temperatura hielo 273ºK El cambio de entropia del ambiente(aire a 27ºC) es 2.93cal / K El aumento de entropia del universo es:

del ambiente) Cubo de hielo Charco de agua Q calor latente 10g * 80cal / g S = = = = T temperatura

9 CALCULO DE CAMBIO DE ENTROPIA DEL UNIVERSO EN AMBIENTE A TEMPERATURA DE -10ºC SISTEMA: charco de 10 gm de agua a 0ºC AMBIENTE: aire a -10ºC PROCESO: CONGELACION DEL AGUA Trozo de hielo Charco de agua <0 Q S = Q T = calor latente temperatura agua = 10g * 80cal / g 273ºK = 2.93cal / K El cambio de entropia del ambiente(aire a -10ºC) es El aumento de entropia del universo es:

Charco de agua <0 Q S = Q T = calor latente temperatura agua = 10g * 80cal / g 273ºK = 2.

10 CALCULO DE CAMBIO DE ENTROPIA DEL UNIVERSO EN AMBIENTE A TEMPERATURA DE 0ºC SISTEMA: 10 gm de hielo a 0ºC AMBIENTE: aire a 0ºC PROCESO: FUSION DEL HIELO Q calor latente 10g * 80cal / g S = = = = T temperatura hielo 273ºK El cambio de entropia del ambiente(aire a 0ºC) es 273K -2.93cal/K 2.93cal / K (-2.93) 0 cal / K En estas condiciones el proceso ocurre reversiblemente y no se crea entropia

= T temperatura hielo 273ºK El cambio de entropia del ambiente(aire a 0ºC) es 273K -2.93cal/K 2.

11 FORMULACION DINAMICA DE SEGUNDA LEY Flujo de entropia al sistema = flujo de calor Temperatura sistema Flujo de entropia al ambiente = Ejercicio Stella - flujo de calor Temperatura ambiente

12 MODELO CINETICO MOLECULAR DE EHRENFEST DEL INTERCAMBIO DE CALOR EN GASES GAS CALIENTE GAS FRIO molecula con movimiento Molecula en reposo REGLA DE COLISIONES ENTRE MOLECULAS: CADA VEZ QUE UNA MOLECULA MOVIL CHOCA CONTRA LA PARED QUE SEPARA LOS GASES, TRANSMITE SU ENERGIA CINETICA A UNA MOLECULA EN REPOSO DEL OTRO GAS PEGADA A LA PARED. CONSTRUIR MODELO EN STELLA

VEZ QUE UNA MOLECULA MOVIL CHOCA CONTRA LA PARED QUE SEPARA LOS GASES, TRANSMITE SU

13 MAPA CONCEPTUAL DEL MODELO CINETICO MOLECULAR DE EHERENFEST DEL INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE GASES SUPUESTOS 1. En cada gas hay dos clases de moleculas las activas( con energia cinetica) y las inactivas(carentes de energia cinetica) 2. En un tiempo suficientemente pequeño una molecula activa de un gas choca al azar contra la pared y transmite toda su energia a otra molecula en reposo en el otro gas pegada a la pared. 3. La probabilidad de un choque es proporcional a la fraccion de moleculas activas en cada gas o a lo que es igual: a la energia cinetica promedio de una molecula en cada gas.

En un tiempo suficientemente pequeño una molecula activa de un gas choca al azar contra la pared y transmite toda su energia a otra molecula en

14 EVOLUCION MAS PROBABLE DEL SISTEMA Estado inicial Estado final Gas A Gas B Gas A Gas B T A = 3T T B A = T B ENTROPIA DE A+B INICIAL DESORDEN INICIAL < < ENTROPIA DE A+B FINAL DESORDEN FINAL A NIVEL MOLECULAR LA ENTROPIA PUEDE INTERPRETARSE COMO UN INDICADOR DE DESORDEN

DESORDEN INICIAL < < ENTROPIA DE A+B FINAL DESORDEN FINAL A NIVEL

SIMULACION DEL MODELO PARA 1000 MOLECULAS EN CADA GAS EQUILIBRAMIENTO DE TEMPERATURAS CRECIMIENTO DE LA ENTROPIA TOTAL EL EQUILIBRIO TERMICO COINCIDE CON EL ESTADO DE ENTROPIA MAXIMO LA LEY

15 SIMULACION DEL MODELO PARA 1000 MOLECULAS EN CADA GAS EQUILIBRAMIENTO DE TEMPERATURAS CRECIMIENTO DE LA ENTROPIA TOTAL EL EQUILIBRIO TERMICO COINCIDE CON EL ESTADO DE ENTROPIA MAXIMO LA LEY DE ENTROPIA ES UNA LEY PROBABILISTA (CONDICIONADA POR EL AZAR) EL CRECIMIENTO DE LA ENTROPIA NO ES MONOTONICO Y REGISTRA EN OCASIONES FLUCTUACIONES QUE REDUCEN POR TIEMPOS CORTOS LA ENTROPIA.

MAXIMO LA LEY DE ENTROPIA ES UNA LEY PROBABILISTA (CONDICIONADA POR EL AZAR) EL CRECIMIENTO DE

16 SIMULACION DEL MODELO PARA MOLECULAS CARACTER PROBABILISTICO DE LA SEGUNDA LEY EN CONTRASTE CON LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA LA PRIMERA LEY ES DETERMINISTA(NO ESTA SUJETA A FLUCTUACIONES DEBIDO AL AZAR) MIENTRAS QUE LA SEGUNDA LEY ES PROBABILISTA. SEGUN CRECE EL NUMERO DE MOLECULAS DISMINUYE LA IMPORTANCIA DE LAS FLUCTUACIONES (LEY DE LOS GRANDES NUMEROS) Y LA SEGUNDA LEY LUCE CADA VEZ MAS COMO SI FUERA UNA LEY DETERMINISTA.

MIENTRAS QUE LA SEGUNDA LEY ES PROBABILISTA.

17 CRECIMIENTO DE ENTROPIA Y FLECHA DEL TIEMPO EL AUMENTO UNIVERSAL Y CONTINUO EN LA ENTROPIA DEL UNIVERSO ES PROBABLEMENTE LA RAZON QUE EXPLICA EL CARACTER IRREVERSIBLE DEL TIEMPO: SU FLUJO INEXORABLE DEL PASADO AL FUTURO. A NIVEL MOLECULAR NO PODEMOS DISTINGUIR ENTRE PASADO Y FUTURO PORQUE LAS LEYES DE LAS COLISIONES ENTRE LAS MOLECULAS SON REVERSIBLES. PUEDE PENSARSE ENTONCES QUE EL FLUJO UNIDIRECCIONAL DEL TIEMPO ES UNA PROPIEDAD EMERGENTE DEL NIVEL MACROSCOPICO DE LA REALIDAD

A NIVEL MOLECULAR NO PODEMOS DISTINGUIR ENTRE PASADO Y FUTURO PORQUE LAS LEYES DE LAS COLISIONES ENTRE LAS MOLECULAS SON

18 COMPATIBILIDAD DE LA LEY DE ENTROPIA CON LA EVOLUCION EL SURGIMIENTO DE UNA NUEVA ESPECIE POR UN PROCESO DE SELECCION NATURAL SUPONE UNA REDUCCION DE LA ENTROPIA DEL SISTEMA QUE EVOLUCIONA COMO LOS SISTEMAS BILOGICOS NO SON AISLADOS Y ESTAN EN CONTINUA INTERACCION CON SU AMBIENTE, LA EVOLUCION DE UNA NUEVA ESPECIE VA SIEMPRE ACOMPAÑADA DE UN AUMENTO EN LA ENTROPIA DEL AMBIENTE. BASTA QUE EL AUMENTO EN ENTROPIA DEL AMBIENTE SEA MAYOR QUE LA DISMINUCION DE LA ENTROPIA DEL SISTEMA PARA ASEGURAR QUE LA ENTROPIA DEL UNIVERSO(SISTEMA +AMBIENTE) CRECE Y QUE POR TANTO LA EVOLUCION DE UNA NUEVA ESPECIE Y LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA SON COMPATIBLES.

SIEMPRE ACOMPAÑADA DE UN AUMENTO EN LA ENTROPIA DEL AMBIENTE.

Documentos relacionados

BALANCE DE ENERGÍA. Diseño de Plantas Industriales Programa de Ingeniería Ambiental Facultad de Ciencias Ambientales

BALANCE DE ENERGÍA. Diseño de Plantas Industriales Programa de Ingeniería Ambiental Facultad de Ciencias Ambientales BALANCE DE ENERGÍA Diseño de Plantas Industriales Programa de Ingeniería Ambiental Facultad de Ciencias Ambientales Los objetivos del balance de Energía son: Determinar la cantidad energía necesaria para