PROCESOS TERMODINÁMICOS

Transcripción

1 PROCESOS TERMODINÁMICOS U na teoría es tanto ás iportante cuanto ayor sea siplicidad de sus preisas, ás diversas sean las cosas que relaciona y ayor sea el área de su aplicación. Esta fue la causa de la honda ipresión que la terodináica dejó en í. Es la única teoría física de contenido universal que, estoy convencido... nunca será desplazada. ALBERT EINSTEIN. TERMODINAMICA Es el estudio de la transforación de energía térica en energía ecánica así coo el proceso inverso, la conversión de trabajo en calor. Puesto que casi toda la energía disponible de la ateria pria se libera en fora de calor, resulta fácil advertir por qué la Terodináica juega un papel tan iportante en la ciencia y la tecnología. En este tea se estudiarán las dos leyes básicas que deben obedecerse cuando se utiliza energía térica para realizar trabajo. La priera ley es sipleente volver a postular el principio de la conservación de la energía. La segunda ley ipone restricciones sobre el uso eficiente de la energía disponible. SISTEMA TERMODINÁMICO E s alguna porción de ateria que separaos del resto del Universo por edio de un liite o frontera con el propósito de estudiarlo. FRONTERA Alrededores Frontera (esta forado por paredes: diatéricas o adiabáticas) Sistea terodináico

2 SISTEMA CON PARED DIATÊRMICA Si la frontera de un sistea terodináico, está hecha con una pared diatérica, existe interacción del sistea con los alrededores, ya que la pared diatérica perite la transferencia del calor. FRONTERA Alrededores Pared diatérica hecha de etal Por ejeplo, al calentar agua en un atraz utilizando una flaa, observaos que con el tiepo el agua hierve, pues nuestro sistea ( el agua), interacciona téricaente con los alrededores (la flaa), ya que el atraz hecho de vidrio y actúa coo pared diatérica, peritiendo el paso del calor hacia el agua. SISTEMA CON PARED ADIABÁTICA. Una pared adiabática no perite que exista interacción térica del sistea con sus alrededores. Cuando la frontera de un sistea terodináico está hecha con una pared adiabática, no existe interacción térica del sistea con sus alrededores.

3 Por ejeplo, si trataos de calentar el agua contenida en un tero, constituido por un recipiente de doble pared con vacío interedio, observaos que no se calentará, porque las paredes del tero son adiabáticas y no periten la interacción térica entre la flaa y el sistea. FRONTERA Cabe señalar que ninguna pared es 100% adiabática, pues toda ateria al recibir calor auenta su teperatura, coo unos cuerpos lo hacen rápidaente y otros en fora lenta, en térinos prácticos consideraos a unos coo diatéricos a coo otros adiabáticos. PROCESOS U n proceso terodináico es adiabático si el sistea no cede ni recibe calor, por lo que se realiza a un calor constante. Para ello se utilizan fronteras hechas con paredes adiabáticas. Un proceso térico es no adiabático cuando el sistea interacciona, téricaente con los alrededores, el calor fluye a través de las paredes diatéricas que los constituyen y se produce un cabio tanto en los alrededores coo en el sistea iso. Durante los procesos téricos no adiabáticos un sistea absorbe o cede calor. La cantidad de calor intercabiado en estos depende de la sustancia y del proceso de que se trate. EQUILIBRIO TERMODINÁMICO Cuando un sistea de baja teperatura se pone en contacto por edio de una pared diatérica con otro sistea de ayor teperatura, la teperatura del sistea frío auenta,

4 ientras la teperatura del sistea caliente disinuye. Si se antiene este contacto por un periodo largo, se establecerá el equilibrio terodináico, es decir abos sisteas tendrán la isa teperatura. Es evidente que si los sisteas están forados por diferentes sustancias o diferentes porciones de ellas, no contengan la isa cantidad de energía aunque su teperatura sea igual. ENERGIA INTERNA Es la sua de las energías cinéticas y potencial de las oléculas individuales que lo constituyen. Al suinistrar calor a un sistea, se provoca un auento en la energía de agitación de sus oléculas, produciéndose un increento de energía interna del sistea y por consiguiente un auento en la teperatura. En general, cuanto ayor sea la teperatura de un sistea, ayor será su energía interna. Sin ebargo, los valores absolutos de ésta en las oléculas no se puede precisar, otivo por el cual sólo se deterina la variación que sufre la energía del sistea ediante la expresión: U = U- U1 Donde : U= variación de la energía interna expresada en joules (J) U= energía interna final en Joules (J) U1= energía interna inicial en Joules (J)

5 Debe representar la diferencia entre el calor neto (Q) absorbido por el sistea y el trabajo neto (W) realizado por el iso sobre sus alrededores. U = Q - W El calor neto absorbido ( Q) puede realizar trabajo ( W) por el sistea o sobre el sistea. La salida de trabajo (W) es positiva y la entrada es negativa. LEY CERO DE LA TEMODINAMICA Continuaente existen situaciones en donde se anifiestan los cabios de teperatura entre dos o ás objetos, en el cual después de cierto tiepo se logra obtener un equilbrio, por ejeplo: Cuando se entra o sale de una casa, en donde la teperatura exterior es diferente, esta se percibe en fora inediata, pero al pasar cierta cantidad de tiepo se equilibra la teperatura. Al calentar una olla con agua, tanto el recipiente coo el agua tienden a obtener la isa teperatura, después de cierto tiepo, observándose en este caso cundo el se convierte en vapor. Si los sisteas A y B están en equilibrio terodináico con el sistea C, entonces los sisteas A y B se encuentran en equilibrio terodináico entre sí. LEY CERO DE LA TEMODINÁMICA La teperatura, es una propiedad que posee cualquier sistea terodináico y existirá equilibrio térico entre dos sisteas cualesquiera, si su teperatura es la isa.

6 CALOR Y TRABAJO E l calor es una fora de energía, por lo tanto, las unidades para edir calor son las isas que epleaos para edir energía. A fines del siglo XVIII, Benjain Thopson propuso que el calentaiento causado por la fricción se debía a la conversión de la energía ecánica en térica. El inglés Jaes Prescott Joule en el siglo XIX, coprobó que siepre que se realiza una cantidad de trabajo se produce una cantidad equivalente de calor. El trabajo de Joule estableció el principio llaado Equivalente Mecánico del Calor, en el cual se deuestra que por cada joule de trabajo se producen 0.89 calorías y que cuando una caloría de energía térica se convierte en trabajo se obtienen joules. 1 Cal = J. 1 J = 0.89 Cal TRABAJO TERMODINÁMICO Para copriir un gas, se aplica una fuerza al ébolo, el cual al recorrer una distancia, disinuirá el voluen del gas, realizando trabajo de copresión.

7 TRABAJO DE COMPRENSIÓN Al efectuarse un trabajo de copresión, éste se transfora íntegraente en calor del sistea, porque counica al gas una energía adicional que auenta la energía interna de sus oléculas elevando la teperatura. En la copresión de un gas, el voluen final es enor al inicial, por tanto el trabajo realizado es negativo, y se dice que se efectúo un trabajo de los alrededores sobre el sistea. En un trabajo de expansión producido, gracias a la energía interna de las oléculas de gas, la teperatura del sistea disinuye. Si al expandirse un gas el voluen final es ayor al inicial, el trabajo es positivo, entonces el sistea realizó un trabajo sobre los alrededores. W=Fd Ec. 1 coo P = A F, entonces F = PA Ec. Sustituyendo en 1 W = P A d Ec. coo (A d) es el voluen al que se le ha copriido el gas, teneos. Ad = V = V V 1 Ec. 4 Sustituyendo 4 en W = P (V -V 1 ) Ec. 5 Donde : W = Trabajo realizado a una presión constante del gas. ( proceso isobárico) (Watt) P= Presión constante del gas (ATM) V V 1 = Variación del voluen en el gas. ( )

8 EJERCICIOS RESUELTOS: 1.-Calcular el trabajo realizado al copriir un gas que está a una presión de. atósferas de un voluen inicial (v 1 ) de 850 c a un voluen final (v ) de 50 c. Expresa el resultado en joules. Datos P=. at V 1 = 850 c³ V =50 c³ W=? En prier térino se convierten Presión y voluen al S.I. Fórula ( ) W = P V V 1 5 N N P =.atx1.01x10 = V1 = 850c 6 = 850X10 10 c 1 6 V ( ) F = 50c 6 = 50X10 10 c W W N = 4160 N = 4160 Desarrollo 6 6 ( 50x10 850x10 ) 6 ( 6x10 ) W= J W = J Nota.- El signo enos del trabajo indica que se realizo trabajo sobre el sistea..- Cuánto trabajo externo realiza un gas de bióxido de carbono (CO) cuando se expande de.5 a Lts. a una presión de.5 at.?

9 Datos V1=.5 Lts V= 0 Lts P=.5 at W=? Fórulas W=P(V-V1) W = W = N 550 N 55 Desarrollo ( ) ( ) = J Nota: en prier térino se realiza la conversión de los volúenes y presión al S.I. V = V 1 P = = (.5L) ( L) 1 = L L = 5 N 1.01X10 1at (.5at) = 550 N W = J.-El trabajo realizado por un sistea sobre sus alrededores es de joules al estar soetido a una presión de 1 at. Hallar el voluen inicial si se registra un voluen final de 1.68 decíetros cúbicos. Datos W=68.884J P=1 at V=1.68 d³ V1=? Fórulas W = P V PV V 0 0 ( V ) F = PV F 0 W PVF W = P V V 0 0 Desarrollo ( 1.68x10 ) 5 N 1.01x10 N (68.884N) = 5 N 1.01x N N 101.N = = 5 N 5 N 1.01x x10 V = 1X10-0

10 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Podeos considerar que esta ley es una repostulación del Principio de la Conservación de la Energía. La energía no se crea ni se destruye, sólo se transfora de un tipo a otro Aplicando esta ley a un proceso terodináico en la ecuación: u = Q - W se tiene Q = U + W PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA Cuando un sistea recibe una cantidad de calor neto Q durante un proceso terodináico, una parte de él peranece en el sistea coo un increento de energía interna ( U), ientras que el resto, abandona de nuevo el sistea en fora de trabajo( W) realizado por él contra su edio externo. Donde : Q= Variación del calor que entra o sale del sistea. U= Variación de energía interna. W= Variación de trabajo efectuado por el sistea o trabajo realizado sobre éste. El valor de Q es positivo cuando entra calor al sistea y negativo si sale de él. El valor de W es positivo si el sistea realiza trabajo y negativo si se efectúa trabajo de los alrededores sobre el sistea. Así pues, si el sistea acepta cierta cantidad de calor (Q) y realiza un trabajo (W) sobre los alrededores, el cabio en su energía interna será: U= Q- W En la figura veos un sistea forado por un gas dentro de un cilindro que contiene un ébolo. Al suinistrar calor al cilindro, la energía interna del sistea auenta, pero si el gas ejerce una fuerza suficiente sobre el ébolo y lo desplaza se habrá realizado un trabajo del sistea sobre los alrededores. Por tanto, la variación de la energía interna del sistea será igual al calor que haya absorbido, enos el trabajo realizado en la expansión del gas.

11 EJERCICIOS RESUELTOS. 1. En un proceso, un sistea absorbe 50 Calorías y al iso tiepo efectúa un trabajo de 85 Joules sobre sus alrededores. Cuál es el auento de la energía interna del sistea en joules? Datos Q= 50 Cal. W=85 joules U=? Q = 50 cal (1J /.89cal) Q = J Fórula U= Q- W Desarrollo U= J- 85J. U= J

12 . Cuál es la variación de la energía interna en un sistea que recibe 150 Cal. Y se le aplica un trabajo 000 J? Datos Fórula Desarrollo Q = 150 Cal. U= Q- W U = J. (-000 J) El signo negativo indica que el W = -000 J. sistea recibe trabajo J 150 cal 1cal U= J.. Un sistea al recibir un trabajo de 75 J. Sufre una variación en su energía interna igual a 10 J. Deterinar la cantidad de calor que se transfiere en el proceso y si el sistea recibe o cede calor. Datos U = 10 J. W = -75 J. Q =? Conversiones: Fórula U= Q - W Q = U + W Desarrollo Q= 10J. -75J.= -155J Q = -155J. Q = cal -155 J. ( 1 Cal. ) = -7.08Cal J 1Cal ( 155 J ) = 7. 08Cal 4.186J

13 CASO GENERAL PARA LA PRIMERA LEY. Se originan casos especiales de la priera ley cuando una o ás de las tres cantidades ( Q, W, U) no sufre cabio. En estos ejeplos de la priera ley se siplifica considerableente. A continuación estudiareos procesos terodináicos generales. PROCESO ADIABATICO Es aquel en el que no hay intercabio de energía térica ( Q) entre un sistea y sus alrededores. En este proceso el sistea no gana ni pierde calor. Este ipediento del flujo de calor puede lograrse rodeando el sistea de una capa gruesa de aterial aislante (coo corcho, asbesto, ladrillo, refractario o espua de poliestireno), o realizando rápidaente el proceso. El flujo de calor requiere un tiepo finito, por lo que cualquier proceso suficienteente rápido será, a efectos prácticos, adiabático. Aplicando la priera ley a un proceso en el cual Q=0, se obtiene un proceso adiabático: W = - U La ecuación dice que en el proceso adiabático el trabajo se realiza a expensas de la energía interna. Un auento de la energía interna va acopañado noralente (pero no siepre) de una elevación de teperatura y una disinución de energía interna por un decreento en la teperatura. La figura siguiente es un ejeplo de un proceso adiabático en la cual un ébolo se levanta por un gas que se expande: si las paredes del cilindro están aisladas y la expansión ocurre con rapidez, el proceso se considera adiabático. A edida que el gas se expande realiza trabajo sobre el ébolo, pero pierde energía interna y experienta una caída en la teperatura. Si se invierte el proceso forzando al ébolo de regreso hacia abajo, se hace trabajo sobre el gas (- W) y habrá un increento en la energía interna ( U), tal que: - W= U

14 En un proceso adiabático no hay transferencia de calor, y el trabajo se realiza a expensas de la energía interna. PROCESO ISOCORICO( ISOVOLUMETRICOS) Es aquel en el cual el voluen del sistea peranece constante. A este tipo de proceso se le conoce tabién con el nobre de proceso isovoluétrico ya que no hay cabio en el voluen. Lo que indica que no se realiza trabajo y aplicando la priera ley a este proceso, se tiene: W= 0 Se obtiene Q = U Ecuación Isocórico O sea, que en un proceso isocórico toda la energía térica que el sistea absorbe hace que se increente su energía interna, en este proceso hay auento de presión y de teperatura del sistea. En la figura siguiente se representa lo que ocurre en un proceso isocórico, cuando se calienta agua en un recipiente de voluen fijo. A edida que se suinistra calor al sistea, el increento de energía interna dá por resultado un elevación de teperatura del agua hasta que coienza a hervir. Increentando aún ás la energía interna. No obstante, el voluen del sistea, que consta de agua y vapor, peranece constante y no se realiza trabajo.

15 PROCESOS ISOTERMICOS Es aquel en el cual la teperatura del sistea peranece constante. Para que la teperatura peranezca constante, las variaciones de presión y de voluen deben realizarse uy lentaente a fin de que el estado se aproxie al equilibrio térico durante todo el proceso. Un gas puede copriirse tan lentaente que en un principio puede considerarse en equilibrio térico con sus alrededores. La presión auenta a edida que e voluen decrece, epero, la teperatura peranece básicaente constante. Si no hay cabio de fase (estado), una teperatura constante indica que no hay un cabio en la energía interna del sistea. Aplicando la priera ley a un proceso en el cual. U= 0 Se obtiene Q= W Ecuación isoterica Por lo tanto, en un proceso isotérico toda la energía absorbida por el sistea se convierte en salida de trabajo. NOTA.- Generalente, ninguna de las agnitudes Q, W y U es nula.

16 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA C onvertir copletaente al calor en trabajo ecánico, es uno de los principales retos de la terodináica; así coo la energía térica no fluye en fora espontánea de un sistea frió a uno caliente. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Es iposible construir una aquina que, si opera continuaente, no produzca otro efecto que la extracción de calor de una fuente y la realización de una cantidad equivalente de trabajo. Cualquier dispositivo que convierta calor en energía ecánica se denoina áquina térica. Considerando que toda áquina térica absorbe calor de una fuente de alta teperatura, realiza algún trabajo ecánico y cede calor a una teperatura enor. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Cuando se ponen en contacto un cuerpo caliente con un frío, el calor fluye siepre espontáneaente del cuerpo ás caliente al ás frío. Otro fundaento de uno de los enunciados de la segunda ley de la terodináica. Lo cual expresa que ninguna áquina térica puede tener, una eficiencia térica del 100%. Tabién cabe aclarar que el análisis de una áquina térica (frigorífico) constituye el fundaento alternativo de este enunciado. Un frigorífico lleva calor de un cuerpo frío a uno caliente, pero su funcionaiento depende del suinistro de energía ecánica o trabajo.

17 EJERCICIOS PROPUESTOS 1.- En cierto proceso, un sistea absorbe 1100 Cal. De calor y al iso tiepo efectúa un trabajo de 0 J. sobre sus alrededores. Cuál es el auento de la energía interna del sistea? Resultado U= Cal..- Cuánto trabajo realiza un gas en una expansión desde un voluen 4 L. a 0 at. hasta 4 L.? Resultado W = J..- Calcular el trabajo en Joules realizado al copriir un gas que esta a 4 at. desde un voluen de 8750 centíetros cúbicos a 550 centíetros cúbicos. Resultado W=-141.8J. 4.- En un proceso terodináico se suinistran 1955 cal. De calor a un sistea, y se perite que este realice un trabajo externo de 950 J. Cuál es el increento de energía térica durante el proceso? Resultado U= Cal. 5.- Un sistea efectúa trabajo por 500 J. Y en el proceso absorbe 400 cal. De calor. Deterine el cabio de energía interna del sistea. Resultado U = Cal. 6.- A un gas encerrado en un cilindro herético se suinistra 50 calorías Cuál es la variación de la energía interna en Joules? Resultado U= 09. Joules. 7.- Un sistea al recibir un trabajo de -180 J sufre una variación de energía interna igual a 78 J. Deterina la cantidad de calor que se transfiere en el proceso. Resultado Q= -150 J = Cal. 8.- Un sistea varia su energía interna en 00 Joules al efectuarse un trabajo de -700 J. Deterinar la cantidad de calor que se transfiere en el proceso, señalando si lo cedió o lo absorbió el sistea. Resultado Q= -400 J. Cedidos por el sistea.

18 ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS I.- Considerando la definición y las figuras, anota en el paréntesis la letra que corresponda a la relación entre abas.. 1. ( ) Terodináica.- Es el estudio de la transforación de energía térica en energía ecánica así coo el proceso inverso, la conversión de trabajo calor. a).- b).- c).- d).- ( ) Energía Interna es la sua de las energías cinéticas y potencial de las oléculas que lo constituyen. a).- b).- c).- d).-. ( )Ley cero de la terodináica.- La teperatura es una propiedad que posee cualquier sistea terodináico y existirá equilibrio térico entre dos sisteas cualesquiera, si su teperatura es la isa. a).- = b).- = c).- = d).- =. ( ) Priera Ley de la Terodináica.- Cuando un sistea recibe una cantidad de calor neto Q durante un proceso, una parte de él peranece en el sistea coo un increento de energía interna ( U ), ientras que el resto, abandona de nuevo el sistea en fora de trabajo ( W ) realizado por él contra su edio externo. a).- b).- c).- d).-

19 4. ( ) Proceso adiabático es aquél en el que no hay intercabio de energía térica ( Q) entre un sistea y sus alrededores. En este proceso el sistea no gana ni pierde calor. a).- b).- c).- d).- 5. ( ) Proceso isocórico,.- Es aquel en el cual el voluen del sistea peranece constante. a).- b).- c).- d).- 6. ( ) Proceso isotérico.- Es aquél en el cual la teperatura del sistea peranece constante. a).- b).- c).- c).- 7. ( ) Segunda Ley de la Terodináica.- Cuando se ponen en contacto un cuerpo caliente con uno frío, el calor fluye siepre espontáneaente del cuerpo ás caliente al ás frío. a).- b).- c).- d).-