Primer principio de la termodinámica.

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1 Primer principio de la termodinámica. Introducción a la Física Ambiental. Tema. Tema IFA (Prof. RAMOS) Tema.- " Primer principio de la termodinámica". Calor y Trabajo. Capacidad calorífica, calores específicos y calor latente. Primer principio: Energía interna. Entalpía. Balance de energía en la superficie terrestre. ariabilidad climática. Modelo simplificado. Tierra-entorno. Efecto invernadero. Tema IFA (Prof. RAMOS)

2 Calor y Trabajo. Intercambio de Energía: Calor: Trabajo: Tema IFA (Prof. RAMOS) 3 Criterio de signos para la energía. Definimos el sistema en estudio: Si el sistema disminuye su energía interna (pierde energía): U<0. Si el sistema aumenta su energía interna (gana energía): U>0. Tema IFA (Prof. RAMOS) 4

3 Trabajo mecánico (definición). Trabajo de compresión para un sistema hidrostático (el sistema absorbe energía): >0. δ = Pd = Pd Tema IFA (Prof. RAMOS) 5 Trabajo de expansión (sistema hidrostático). Trabajo de expansión para un sistema hidrostático (el sistema pierde energía): <0. δ = Pd = Pd Tema IFA (Prof. RAMOS) 6

4 Calor y trabajo Cualquier sistema termodinámico puede cambiar su estado de equilibrio, definido por sus coordenadas termodinámicas (P,, T) para el caso del sistema hidrostático. Intercambiando energía con su entorno en forma de calor, trabajo o ambos mecanismos simultáneamente: Tema IFA (Prof. RAMOS) 7 Calor y trabajo Tema IFA (Prof. RAMOS) 8

5 Capacidad calorífica. Capacidad calorífica: Calor necesario para aumentar en º la temperatura de un sistema (J/K): Calor específico: Calor necesario para aumentar en º la temperatura de una unidad de masa de un sistema (J/kg K): C = δq dt δq c = m dt Calor molar: Calor necesario para aumentar en º la temperatura de un mol de materia de un sistema (J/mol K): δq c m = n dt Tema IFA (Prof. RAMOS) 9 Calores específicos de algunas substancias. Substancia c (kj/kgk) Agua (0º) 4.8 Hielo (-0ºC).05 Plata 0.33 Aluminio apor de Agua (P=cte,T=0ºC).86 Aire (P=cte,T=0ºC).0036 Tema IFA (Prof. RAMOS) 0

6 Calores latentes de cambio de fase. Substancia Temp. CF(K) Lf(kJ/kg) Lv(kJ/kg) Agua (L) Agua (v) Alcohol etílico Alcohol etílico Oxígeno Oxígeno Tema IFA (Prof. RAMOS) Calor intercambiado (cuantificación). Proceso de calentamiento de una masa, m, de hielo a presión constante, P= atm. Estado inicial (-30ºC), final vapor (00ºC): Q SL = ml f Q L = ml Q SS = mc T s Q LL = mc T L Tema IFA (Prof. RAMOS)

7 Calor intercambiado (cuantificación). Problemas. Hoja IFA Tema IFA (Prof. RAMOS) 3 Trabajo de expansión en un gas ideal I. Método del área: = P ( ) Método de la integral: = Pd= P d Pd= P( ) Área del rectángulo! Tema IFA (Prof. RAMOS) 4

8 Trabajo de expansión en un gas ideal II. Método del área: Método de la integral: = P ( ) = Pd= P d Pd= P ( ) Área del rectángulo! Tema IFA (Prof. RAMOS) 5 Trabajo de expansión en un gas ideal III. Método de la integral: ce Pd = Transformación cuasiestática: Trabajo intercambiado: (T=cte.) P = nrt ce = nrtln( ) = nrtln > ce > 3 Tema IFA (Prof. RAMOS) 6 ce = nrt d = nrt d

9 Trabajo en procesos cíclicos. Procesos cíclicos: Ejemplo: B C D Método del área: =- atm.l=-0.3 J Método integral: = pd = Pd Pd Pd Pd = ( ) ( ) = atml A B C A D Tema IFA (Prof. RAMOS) 7 Propiedades del trabajo,. Definición: = Transformación isócora, =cte: = 0 Transformación isóbara, P=cte: Pd = P Tema IFA (Prof. RAMOS) 8

10 Propiedades del trabajo,. Transformación cuasiestática: P() es la ecuación de estado. = P( ) d Expansión libre: =0 Tema IFA (Prof. RAMOS) 9 Enunciado de la ª Ley de la Termodinámica. Forma finíta: U = Q + U, energía interna. Forma diferencial: du = δ Q + δ Consecuentes:.- Principio de conservación universal de la energía..- Definición de la energía interna como función de estado U(P,,T). Problema. Hoja IFA Tema IFA (Prof. RAMOS) 0

11 Energía interna: propiedades. Sistema Aislado: Q=0; =0. U=0 Proceso cíclico: U i =U f U=0 Q= Proceso adiabático: Q=0; 0. U= Expansión libre: U=0 Proceso isócoro, =cte: =0; Q 0. U=Q Problema 3. Hoja IFA Tema IFA (Prof. RAMOS) Experiencia de Joule. Experimento IFA4 Tema IFA (Prof. RAMOS)

12 Entalpía. Función de estado: Forma diferencial: H = U + P dh = du + Pd + dp Transformaciones a P=cte. Como: Entonces: δq P = dh dh = du + Pd du = δ Q + δ Problema 4. Hoja IFA. Tema IFA (Prof. RAMOS) 3 Balance de energía en la superficie terrestre. ariabilidad climática. Efectos observados. Factores desencadenantes. Modelo simplificado. Tierra-entorno. Balance de radiación. Emisión de onda larga. Absorción de onda corta. Efecto invernadero. Tema IFA (Prof. RAMOS) 4

13 ariabilidad climática: Efectos observados. Efectos observados mediante medidas científicas desde Aumento de 0.5ºC de la temperatura media de la atmósfera..- Glaciares en retroceso. 3.- Aumento del nivel de los Océanos. 4.- Reducción de la capa de hielo Polar. 5.- Reducción del espesor del permafrost. Tema IFA (Prof. RAMOS) 5 ariabilidad climática: Efectos observados. Tema IFA (Prof. RAMOS) 6

14 ariabilidad climática: Efectos observados. Tema IFA (Prof. RAMOS) 7 ariabilidad climática: Factores desencadenantes. Factores Antrópicos: - Emisión de gases invernadero. - calentamiento directo por máquinas de combustión. - Deforestación. Desequilibrio en el balance hídrico. Factores Naturales: - Erupciones volcánicas. - Actividad Solar. - Cataclismos. Tema IFA (Prof. RAMOS) 8

15 Modelo simplificado. Tierra-entorno. Balance de radiación. Absorción de onda corta. Tema IFA (Prof. RAMOS) 9 Modelo simplificado. Tierra-entorno. Potencia de radiación solar que llega a la tierra: SπR T Potencia de radiación solar reflejada por la tierra: rsπr T R T - radio de la tierra. S- Constante Solar, 353 /m. r- reflectividad atmosférica. Pa = ( r) SπRT Balance de radiación de onda corta: Tema IFA (Prof. RAMOS) 30

16 Modelo simplificado. Tierra-entorno. Balance de radiación. Emisión de onda larga. Tomamos una temperatura media de la superficie de la tierra de 3 ºC y una temperatura media de su atmósfera de -º C. La tierra se comporta como un cuerpo gris de emisividad media aproximada de 0.6. Potencia radiada en el rango infrarrojo (onda larga) por la tierra: P R = 4 4πRT εσ T st Tema IFA (Prof. RAMOS) 3 Modelo simplificado. Balance de radiación. Al estar la tierra en equilibrio térmico, se tienen que equilibrar los flujos de energía entrante y saliente. Así la variación de energía interna del sistema es nula. P R = P a 4 ( r ) Sπ RT = 4πRT εσ T st ( r ) S 4 = εσ 4 T st Ritmo de ganancia o pérdida de energía 37 /m Tema IFA (Prof. RAMOS) 3

17 Modelo simplificado. Otras fuente de energía. Fuente Contribución (/m ) Contribución (%) RadioIsótopos Combustión (era industrial) Fenómenos disipativos (mareas) Contribución insignificante en el balance de energía! Tema IFA (Prof. RAMOS) 33 Modelo simplificado. Temperatura de equilibrio T st = ( r ) S 4εσ 4 La temperatura de equilibrio aumenta si: r, disminuye o si ε disminuye. La reflectividad, r, y la emisividad, ε, son funciones directas de los gases que componen la atmósfera, una variación de esta composición afectaría a sus valores y a la temperatura de equilibrio del planeta. Tema IFA (Prof. RAMOS) 34

18 Modelo simplificado. Balance de radiación. Tema IFA (Prof. RAMOS) 35 Efecto invernadero. Gases más abundantes en la atmósfera. C + Q O CO Consumo energético medio por persona y año: 3500 Kg. de carbón, 000 m 3 de gas natural y 4000 l de petróleo. EEUU consume el 33% del total con sólo un 5% de la población mundial. Tema IFA (Prof. RAMOS) 36

19 Efecto invernadero. Gases menos abundantes en la atmósfera. CH 4 - su concentración se duplicará en 50 años por descomposición orgánica. Al fundirse el permafrost se libera metano retenido. NO - - Abonos nitrogenados, fuego y desertización. CFC- Disolventes, spays, circuitos de refrigeración. Tema IFA (Prof. RAMOS) 37 Efecto invernadero: evolución de la concentración de CO en la atmósfera. Medidas realizadas a partir de muestras de aire atrapadas en hielo glaciar en la Antártida. Desde 750 hasta 990 se produjo un aumento del 5% en concentración de CO atmosférico. Tema IFA (Prof. RAMOS) 38

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