1RA Y 2DA LEY DE LA TERMODINÁMICA. M. En C. José Antonio González Moreno FisicoQuímica Noviembre del 2016

Transcripción

1 1RA Y 2DA LEY DE LA TERMODINÁMICA M. En C. José Antonio González Moreno FisicoQuímica Noviembre del 2016

2 INTRODUCCIÓN: En esta presentación se estudiarán los enunciados correspondientes a la 1ra y 2da Ley de la Termodinámica, además de explicar matemáticamente los conceptos relacionados con éstas leyes y realizar una serie de ejercicios. Finalmente se presentan las conclusiones y las preguntas para los alumnos al final del tema.

3 ANTECEDENTES: Hasta alrededor de 1850, la termodinámica y la mecánica se consideraban como dos ramas distintas de la ciencia. La ley de conservación de la energía parecía describir únicamente ciertos tipos de sistemas mecánicos. Sin embargo, los experimentos de mediados del siglo XIX, realizados por el ingles James Joule y otros, demostraron una fuerte conexión entre la transferencia de energía mediante calor en los procesos térmicos y la transferencia de energía por trabajo en los procesos mecánicos, se hizo necesario establecer una serie de criterios en este ámbito que después se volvieron Leyes de la Termodinámica.

4 DESARROLLO DEL TEMA: La primera Ley de la Termodinámica, es un caso especial de la ley de conservación de energía que describe procesos que sólo cambian la energía interna (ΔU o ΔE) y las únicas transferencias de energía son mediante calor (Q) y trabajo (W), es decir:

5 DESARROLLO DEL TEMA: A partir de la Expresión anterior, se pueden establecer 3 criterios importantes: 1) Si el Balance es Positivo: El trabajo realizado es eficiente y excede el calor generado por el proceso. 2) Si el Balance es Negativo: La pérdida de Calor excede el trabajo ganado o realizado. 3) Si el Balance es Cero: Significa que tanto el Trabajo realizado, como el calor generado son iguales en magnitud.

6 DESARROLLO DEL TEMA: Un sistema termodinámico podría intercambiar energía con su entorno (ambiente) mediante calor, trabajo o ambos y se estipula una convención de signos para Q y W, es decir:

7 DESARROLLO DEL TEMA: En un proceso termodinámico, la energía interna (ΔU) de un sistema puede a) aumentar (ΔU > 0), b) disminuir (ΔU < 0) o c) permanecer sin cambio aparente (ΔU = 0).

8 DESARROLLO DEL TEMA: Trabajo realizado al cambiar el volumen:

9 DESARROLLO DEL TEMA: Cuando un sistema se somete a un cambio infinitesimal de estado en el que una cantidad pequeña de energía (dq) se transfiere mediante calor y una cantidad pequeña de trabajo (dw) se invierte, la energía interna (ΔE) cambia en una cantidad pequeña (de int ), debido a lo anterior, para procesos infinitesimales es posible expresar la primera ley de la termo, como sigue:

10 DESARROLLO DEL TEMA: Tipos de Procesos Termodinámicos: 1) Proceso adiabático: se define un proceso adiabático como aquel donde no entra ni sale calor del sistema: Q = 0. Se puede evitar el flujo de calor ya sea rodeando el sistema con material térmicamente aislante o realizando el proceso con tal rapidez que no haya tiempo para un flujo de calor apreciable. En la expansión adiabática libre de un gas, Q = 0 y W = 0, de modo que ΔU = 0. Esto es, la energía interna del gas no cambia en tal proceso.

11 DESARROLLO DEL TEMA: Tipos de Procesos Termodinámicos: 2) Proceso Isocórico: Se efectúa en un sistema en el cual, el volumen permanece constante. Si el volumen de un sistema termodinámico es constante, no efectúa trabajo sobre su entorno; por lo que W = 0 y se tiene que: Debido a que Trabajo Energía Energía E P V (Presión Volumen) Si V esconstante, entonces:

12 DESARROLLO DEL TEMA: Tipos de Procesos Termodinámicos: 3) Proceso Isobárico: Un proceso isobárico se efectúa a presión constante. En general, ninguna de las tres cantidades: ΔU, Q y W es cero en un proceso isobárico, pero aún así es fácil calcular W: El trabajo invertido en un gas en tal proceso es:

13 DESARROLLO DEL TEMA: Tipos de Procesos Termodinámicos: 4) Proceso Isotérmico: Un proceso isotérmico se efectúa a temperatura constante. Para ello, todo intercambio de calor con el entorno debe efectuarse con tal lentitud para que se mantenga el equilibrio térmico. En general, ninguna de las cantidades ΔU, Q o W es cero en un proceso isotérmico. Se tiene entonces que:

14 DESARROLLO DEL TEMA: Se concluye que la energía interna ΔU int de un sistema aislado permanece constante, es decir: Para el caso de un Proceso Cíclico, se tiene: Para el caso de un Proceso Adiabático, se tiene: Para el caso de un Proceso Isobárico, se tiene: Para el caso de un Proceso Isocórico, se tiene:

15 DESARROLLO DEL TEMA: Cuatro procesos distintos para una cantidad constante de gas ideal, todos parten del estado a. Para el proceso adiabático, Q = 0; para el isocórico, W = 0; y para el isotérmico, ΔU = 0. La temperatura sólo aumenta durante la expansión isobárica, es decir:

16 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA: Explicado de forma concisa la 1ra Ley de la Termo, ahora se explicarán los términos que conlleva la 2da ley y sus limitantes, así como sus aplicaciones.

17 SEGUNDA LEY DE LA TERMO : La segunda ley de la termodinámica, establece cuáles procesos se presentan y cuáles no. Los siguientes son ejemplos de procesos que no violan la primera ley de la termodinámica si ellos siguen su curso en cualquier dirección, aunque en realidad se observa que siguen su curso sólo en una dirección:

18 EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA TÉRMICA: Una máquina térmica es un dispositivo que toma energía por calor y al funcionar en un proceso cíclico, expulsa una fracción de dicha energía mediante trabajo. Es decir:

19 EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA TÉRMICA:

20 EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA TÉRMICA: Se puede pensar en la eficiencia como la proporción de lo que gana (el trabajo) a lo que da (transferencia de energía a la mayor temperatura). En la práctica, todas las máquinas térmicas sólo expulsan una fracción de la energía de entrada (Q h ) por trabajo mecánico; en consecuencia, su eficiencia siempre es menor que el 100%.

21 EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA TÉRMICA: Entonces, una máquina térmica con eficiencia perfecta tendría que expulsar toda la energía de entrada mediante trabajo. Ya que las eficiencias de los motores reales están muy por abajo de 100% (Motores a gasolina 20%, motores Diesel 35 40%), la forma de Kelvin Planck de la segunda ley de la termodinámica establece lo siguiente:

22 CICLO DE CARNOT: En 1824 un ingeniero francés llamado Sadi Carnot describió una máquina teórica, ahora llamada máquina de Carnot. El demostró que una máquina térmica que funciona en un ciclo reversible ideal, llamado ciclo de Carnot, entre dos depósitos de energía es la máquina más eficiente posible.

23 CICLO DE CARNOT: Tal máquina ideal establece un límite superior sobre las eficiencias de todas las otras máquinas. Esto es: el trabajo neto realizado, en el ciclo de Carnot, por una sustancia de trabajo es la mayor cantidad de trabajo posible para una cantidad determinada de energía suministrada a la sustancia a la temperatura superior. El teorema de Carnot se puede establecer del modo siguiente:

24 CONCLUSIONES: Al analizar la 1ra y 2da Ley de la Termodinámica, se comprende el por qué se presentan muchas deficiencias en las Máquinas Térmicas. El calcular la eficiencia de una máquina tiene que ser muy explícito en base a qué se va a medir la eficiencia de dicho artefacto. Finalmente, se tendrá que buscar otro tipo de conversión de energía en el que sea mayor la cantidad de trabajo realizado que la pérdida de calor hacia los alrededores, con el fin de incrementar el desempeño de las futuras máquinas mecánicas.

25 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: 1) Raymond A. Serway y John W. Jewett, Jr. Física para ciencias e ingeniería. Volumen 1. 7ma edición. Ed. Cengage Learning Editores, México, ) Paul Tipler and Gene Mosca. Physics for Scientists and Engineers. 6 th Edition. Freeman and Company Press. New York, ) Young, Hugh D. y Roger A. Freedman. Física universitaria volumen 1. 12da edición. Pearson Educación, Mexico, ) Paul E. Tippens. Física, Conceptos y aplicaciones. 7ma edición. Ed. McGraw-Hill, México, 2011.

26 PREGUNTAS DE REPASO: 1.- Antes de 1850 Qué ciencias se consideraban que eran muy apartadas y que no tenían mucho en común? R = La Termodinámica y la Mecánica 2.- En qué siglo Joule realizó sus experimentos de relación de la Termo y la Mecánica? R = En el s. XIX 3.- Cuál es el enunciado de la 1ra Ley de la Termodinámica? R = En Cualquier proceso termodinámico, el Calor Neto absorbido por un sistema es igual a la suma del Trabajo Neto que éste realiza más el cambio en su Energía Interna.

27 PREGUNTAS DE REPASO: 4.- En el balance de la 1ra Ley de la Termo, Qué significa un resultado negativo? R = Significa que la pérdida de Calor excede el trabajo ganado o realizado 5.- Explique la Convención de Signos de la Primera Ley de la Termo:

28 PREGUNTAS DE REPASO: 6.- Cuando en un Sistema se agrega más calor que el trabajo efectuado, Qué energía tiende a aumentar? R = La Energía Interna (ΔU). 7.- Qué es un proceso Adiabático? R = se define como aquel donde no entra ni sale calor del sistema. 8.- Cómo se define un proceso isocórico? R = Es aquel que se efectúa en un sistema en el cual, el volumen permanece constante. 9.- Cómo se le llama al proceso que se efectúa a presión constante? R = Proceso Isobárico.

29 PREGUNTAS DE REPASO: 10.- Cómo se define una máquina térmica? R = Es un dispositivo que toma energía por calor y al funcionar en un proceso cíclico, expulsa una fracción de dicha energía mediante trabajo Qué establece el enunciado de la 2da Ley de la Termo? R = Que es imposible construir una máquina térmica que No produzca otro efecto que la entrada de energía por calor de un depósito y realice una misma cantidad de trabajo Por qué ninguna máquina térmica puede ser 100 % eficiente como la máquina de Carnot? R = Porque No existe una máquina que funciona entre dos medios de energía y que pueda ser más eficiente que una máquina de Carnot.