TERMODINÁMICA

CALOR Y TRABAJO.

Calor y trabajo son dos tipos de energía en tránsito, es decir, energía que pasa de un cuerpo a otro. Ambas tienen la misma unidad, julio en el S.I.

En mecánica:

Trabajo: Es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la dirección de la fuerza.

W = F • d Trabajo = Fuerza • Distancia

• CALOR: Es energía que fluye de un cuerpo a otro a causa de la diferencia de la temperatura.

Q=m•Ce•Δt

La principal diferencia entre ambas es la forma en la que se transfieren. El calor se transfiere entre dos cuerpos que tienen diferente temperatura. El trabajo se transfiere cuando entre dos cuerpos se realizan fuerzas que provocan desplazamientos o cambios dimensionales.

FUNCION DE LA ENERGIA INTERNA.

Un sistema termodinámico (también denominado sustancia de trabajo) se define como la parte del universo objeto de estudio, es común describirlo por su masa, presión, volumen y temperatura. En cierto modo esta contenido por sus alrededores.

ALREDEDORES.

SISTEMA.

• Equilibrio termodinámico: Se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico si no hay una fuerza resultante que actúe sobre el cuerpo.

• Energía interna (U): Energía almacenada por un sistema de partículas. Es la suma de la energía de todas las partículas que componen un cuerpo (energía cinética y potencial).

Las variables termodinámicas para describir su estado son:

1. Presión (P)

2. Volumen (V)

3. Temperatura (T)

Ambiente.

Ambiente.

CAMBIO DE

ACCION

Energía interna U1Estado inicial del

sistema(P1 V1 T1)

Energía interna U2Estado inicial del

sistema(P2 V2 T2)

Sistema que pasa por un proceso

termodinámico SistemaP1 V1

T1

Ambiente.

SistemaP2 V2

T2

ΔQ

ΔW

Calor suministrado o entregado.

Trabajo de entrada o de salida

Puesto que la energía tiene que conservarse, el cambio de la energía interna:

Debe representar la diferencia entre el calor neto absorbido por el sistema y el trabajo neto que realiza el sistema sobre sus alrededores.

ΔU = U2 - U1

ΔU = ΔU - ΔW

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

La ley cero de la termodinámica establece que, cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, estos están a su vez en equilibrio térmico entre sí.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Primera ley de la termodinámica: en procesos termodinámicos, el calor neto absorbido por un sistema es igual a la suma del trabajo neto y el cambio de su energía interna.

Principio de la conservación de la energía: “la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma”

ΔQ = ΔU + ΔW Trabajo neto

Energía interna

PROCESOS TERMODINAMICOS

ENERGIA INTERNA

Energía cinética Energía potenci

alº

CONVENCIONES DE SIGNOS DE LA PRIMERA LEY

El calor Q de estrada es positivo

El trabajo hecho por un gas es positivo.

El calor Q de salida es negativo.

El trabajo hecho sobre un gas es negativo.

EJEMPLO:

Una maquina térmica realiza 240J de trabajo durante el cual su energía interna disminuye en 400J ¿Cuál será el intercambio de calor neto de este proceso?

ΔW= 240J

ΔU= -400J

ΔQ = ΔU + ΔW =(-400J) + (240J)

=-160J

ΔQ = ΔU + ΔW

CONVENCIONES DE SIGNOS DE LA PRIMERA LEY El calor Q de estrada es positivo. El trabajo hecho por un gas es positivo. El calor Q de salida es negativo. El trabajo hecho sobre un gas es negativo.

El calor es expulsado

DIAGRAMA P-V

Es aquel que nos muestra la relación de Presión y Volumen y nos ayuda para calcular y medir estos de manera representativa.

PROCESOS TERMODINÁMICOS.

Son aquellos procesos que describen los cambios termodinámicos de la sustancia de trabajo; al pasar de un estado inicial a otro estado final.

Proceso del estado 1 al estado 2: (Proceso 1,2)

Proceso Isotérmico: A temperatura constante.

Proceso Isobárico: A presión constante.

Proceso Isométrico: (Isocórico): A volumen constante.

Proceso Adiabático: No hay intercambio de calor con su entorno.

CUATRO PROCESOS TERMODINÁMICOS:

Proceso isocórico: ΔV = 0, ΔW = 0 Proceso isobárico: Δ P = 0

Proceso isotérmico: ΔT = 0, ΔU = 0 Proceso adiabático: ΔQ = 0

ΔQ = ΔU + ΔW

ΔQ = ΔU + ΔW pero ΔW = P ΔV

PROCESO ISOBÁRICO: PRESIÓN CONSTANTE, ΔP = 0

+U -U

QIN QOUT

ENTRADA DE CALOR = Wout + AUMENTO EN ENERGÍA INTERNA

Salidade

trabajo

Entrada de

trabajo

SALIDA DE CALOR = Wout + DISMINUCIÓN EN ENERGÍA INTERNA

EJEMPLO ISOBÁRICO (PRESIÓN CONSTANTE):

La entrada de calor aumenta V con P constante

400 J de calor realizan 120 J de trabajo y aumentan la energía interna en 280 J.

TRABAJO ISOBÁRICO

Trabajo = área bajo la curva PV

Trabajo = P D V

CASO GENERAL PARA LA PRIMERA LEY

En el caso mas general, de algún modo las tres cantidades están involucradas en cambios.

En casos especiales, solo una o dos de las cantidades involucran cambios.

GAS

ΔQ

ΔW+ ΔU

LA ENERGIA INTERNA AUMENTA

PROCESO ADIABÁTICO: NO HAY INTERCAMBIO DE CALOR, ΔQ = 0

Trabajo realizado A COSTA de energía interna.

ENTRADA de trabajo AUMENTA energía.

ΔQ = ΔU + ΔW ; ΔW = -ΔU o ΔU = -ΔW

Sale trabajo

Entra trabaj

oU +U

ΔQ = 0

W = -U U = -W

EJEMPLO ADIABÁTICO

N

BA

PA

V1 V2

PB

Paredes aisladas: Q = 0 El gas en expansión realiza trabajo con cero pérdida de calor. Trabajo = -DU

EXPANSIÓN ADIABÁTICA

Se realizan 400 J de TRABAJO, lo que DISMINUYE la energía interna en 400 J: el intercambio neto de calor es CERO. ΔQ = 0

B

APA

VA VB

PB

PAVA PBVB

TA T B

=

A A B BP V P V

ΔQ = ΔU + ΔW de modo que ΔQ = ΔU

PROCESO ISOCÓRICO: VOLUMEN CONSTANTE, ΔV = 0, ΔW = 0

0

+U -U

QIN QOUT

No se realiza trabajo

ENTRADA DE CALOR = AUMENTO EN ENERGÍA INTERNASALIDA DE CALOR = DISMINUCIÓN EN ENERGÍA INTERNA

EJEMPLO ISOCÓRICO:

La entrada de calor aumenta P con V constante

400 J de entrada de calor aumentan la energía interna en 400 J y se realiza trabajo cero.

B

A

P2

V1= V2

P1

PA P B

TA T B=

400 J

No hay cambio en volumen:

PROCESO ISOTÉRMICO: TEMPERATURA CONSTANTE, ΔT = 0, ΔU = 0

ΔQ = ΔU + ΔW y ΔQ = ΔW

ΔU = 0 Δ U = 0

QOUT

Entrada de

trabajo

Salidade

trabajo

QIN

ENTRADA NETA DE CALOR = SALIDA DE TRABAJOENTRADA DE TRABAJO = SALIDA NETA DE CALOR

EJEMPLO ISOTÉRMICO (T CONSTANTE):

Lenta compresión a temperatura constante: -- No hay cambio en U.

ΔU = ΔT = 0

B

APA

V2 V1

PB

PAVA = PBVB

EXPANSIÓN ISOTÉRMICA (T CONSTANTE):

El gas absorbe 400 J de energía mientras sobre él se realizan 400 J de trabajo.

ΔT = ΔU = 0

ΔU = ΔT = 0

BA

PA

VA VB

PB

PAVA = PBVB

TA = TB

ln B

A

VW nRTV

Trabajo isotérmico

Ley de Boyle

A temperatura constante la presión de un gas es inversamente proporcional a su volumen.

(Proceso Isotérmico)

PV = CONSTANTE

Ley de Charles.

A presión constante el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura Absoluta.

(Proceso Isobárico))

V/T = CONST

Ley de Gay-Lussac.A volumen constante la presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

(Proceso Isocórico)

P / T= const.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

La segunda ley de la termodinámica establece que si bien todo el trabajo mecánico puede transformarse en calor, no todo el calor puede transformarse en trabajo mecánico. (Tipo empírico a través de la experimentación)

Relación con la primera ley

NO SE PUEDE TRANSFORMAR TODO EL CALOR EN TRABAJO

Ejemplo: una piedra rodando, su energía potencial o cinética se convierte en trabajo o calor disipado.

FORMULACIONES EQUIVALENTES

Enunciado de Kelvin - Planck

“No es posible un proceso que convierta todo el calor absorbido en trabajo”

Enunciado de Clausius

“No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un cuerpo frío a otro más caliente”

MAQUINAS TERMICAS

Una máquina térmica es todo dispositivo que transforma la energía térmica en trabajo, realizando un ciclo de manera continua.

No todo el calor que absorbe la máquina

se transforma en trabajo.

FUENTEALTA

TEMPERATURA T1

MAQUINA

SUMIDEROBAJA TEMPERATURA T2

Q1

Q2

ΔU = 0

ΔW = Qent – Qsal

MAQUINA TÉRMICA IMPOSIBLE

W

No existe un sumidero de calor que permita el flujo del calor

EFICIENCIA

La eficiencia de una maquina térmica se define como la razón del trabajo útil realizado por una maquina respecto al calor suministrado a esta, y generalmente se expresa como porcentaje.

Eficiencia = Trabajo de salida Trabajo de entrada

E = Qent – Qsal Qent

“Una maquina eficiente al 100% es aquella en la que todo el calor de entrada se convierte en trabajo útil. Qsal = 0”

CICLO DE CARNOT

La máquina de Carnot es una máquina ideal que utiliza calor para realizar un trabajo. En ella hay un gas sobre el que se ejerce un proceso cíclico de expansión y compresión entre dos temperaturas. Fue sugerida por Sadi Carnot 1824.

Máquina Carnot

"original", diagrama de

1824.

• Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto y consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas.

Tramo A-B expansión isotérmica a a la temperatura TTramo B-C expansión adiabáticaTramo C-D compresión isoterma a la temperatura T2

Tramo D-A compresión adiabática

LA EFICIENCIA DE UNA MAQUINA IDEAL

“Una maquina ideal es aquella que tiene la mas alta eficiencia posible para los limites de temperatura para los cuales opera.”

Es difícil de predecir la eficiencia de dicha maquina ya que depende de las cantidades de calor absorbidas y liberadas entre dos fuentes de calor bien definidas, y no dependen de las propiedades térmicas del combustible.

La eficiencia de una maquina ideal puede expresarse como una función de las temperaturas absolutas de las fuentes de entrada y salida

e = T ent - T sal entre T ent

MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA

Es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de la cámara de combustión.

TIPOS

1. Motor de Gasolina de cuatro tiempos.

2. Motor de Diésel.

MOTOR DE GASOLINA DE CUATRO TIEMPOS

Carrera de admisión: El cilindro se llena de una mezcla de gasolina y servirá para que el motor funcione, el pistón baja, la válvula de admisión se abre y entra la mezcla al cilindro.

Carrera de comprensión: El pistón sube y comprime la mezcla, el pistón sube, la válvula de admisión se cierra y la mezcla se comprime.

Explosión: La bujía produce una chispa que hace explotar la mezcla y el pistón se mueve hacia abajo. El pistón sube de nuevo, la válvula de escape se abre y los gases salen del motor liberándolos.

MOTOR DE DIÉSEL

En este el aire se comprime a alta temperatura y presión, hasta cerca del extremo superior del cilindro. El combustible diésel se inyecta en el cilindro se enciende y empuja el pistón hacia abajo, liberando una cantidad de calor Qent a una presión constante. El resto consiste en una dilatación adiabática realizando un trabajo extremo y durante las fases de admisión y expulsión el gas se enfría a volumen constante perdiendo una cantidad de calor.

REFRIGERACIÓN

Durante cada ciclo un compensador proporciona trabajo mecánico W al sistema, extrayendo una cantidad de calor Qfrío de un depósito frío y cediendo una cantidad de calor Qcal a un deposito caliente

De acuerdo con la primera Ley de la Termodinámica.

Eficiencia se determina por la cantidad de calor Qfrío extraída con el mínimo gasto de trabajo mecánico W, y también se le denomina coeficiente de rendimiento K.

W= Qcalor – Qfrío

K= Qfrío entre W K= Tfrio entre Tcalor - Tfrío

EVAPORIZACION: En la etapa de evaporación el refrigerante absorbe el calor del especio que lo rodea y por consiguiente lo enfría. Esta etapa tiene lugar en un componente denominado evaporador, el cual es llamado así debido de que en el refrigerante se evapora cambia de liquido a vapor.

COMPRESION: Después de evaporarse el refrigerante sale del evaporador en forma de vapor a baja presión, pasa al compresor en donde se comprime incrementando su presión (este aumento de presión es necesario para que el gas refrigerante cambie fácilmente a liquido y lo bombea asía la etapa de condensación).

CONDENSACION: La etapa de condensación del ciclo se efectúa en una unidad llamada “condensador” que se encuentra localizado en el exterior del espacio refrigerado. Aquí el gas refrigerante a alta presión y alta temperatura, rechaza calor asía el medio ambiente (es enfriado por una corriente de agua o de aire), cambiando de gas a liquido frío y a una alta presión.

CONTROL Y EXPANSIÓN: Esta etapa es desarrollada por un mecanismo de control de flujo, este dispositivo retiene el flujo y expansiona al refrigerante para facilitar su evaporación posterior. Después de que el refrigerante deja el control del flujo se dirige al evaporador para absorber calor y comenzar un nuevo flujo.