U3 Termodinamica

8/16/2019 U3 Termodinamica

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CUPES L

Ciencias experimentales

Unidad 3. Termodinámica

Recopiló: M.C. Macaria Hernández Chávez


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Calor y temperatura

La magnitud física que indica que tan caliente o fría es una sustancia respecto a un cuerpo

que se toma como base o patrón es la temperatura.

Nuestro organismo no detecta la temperatura, sino pérdidas o ganancias de calor.

Se denomina calor, a la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo o entre

distintos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura.


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Variables termodinámicas

Las variables termodinámicas o variables de estado son las magnitudes que se

emplean para describir el estado de un sistema termodinámico. Dependiendo dela naturaleza del sistema termodinámico objeto de estudio, pueden elegirse

distintos conjuntos de variables termodinámicas para describirlo. En el caso de

un gas, estas variables son:

Masa (m ó n): es la cantidad de sustancia que tiene el sistema. En el Sistema

Internacional se expresa respectivamente en kilogramos (kg) o en número demoles (mol).

Volumen (V ): es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. En el Sistema

Internacional se expresa en metros cúbicos (m3). Si bien el litro (l ) no es una

unidad del Sistema Internacional, es ampliamente utilizada. Su conversión a

metros cúbicos es: 1 l = 10-3 m3.

Presión ( p): Es la fuerza por unidad de área aplicada sobre un cuerpo en la

dirección perpendicular a su superficie. En el Sistema Internacional se expresa en

pascales (Pa). La atmósfera es una unidad de presión comúnmente utilizada. Su

conversión a pascales es: 1 atm ≅ 105 Pa.


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•Temperatura (T ó t ): A nivel microscópico la temperatura de un sistema está

relacionada con la energía cinética que tienen las moléculas que lo constituyen.

Macroscópicamente, la temperatura es una magnitud que determina el sentido enque se produce el flujo de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto. En el

Sistema Internacional se mide en kelvin (K), aunque la escala Celsius se emplea con

frecuencia. La conversión entre las dos escalas es: T (K) = t (ºC) + 273.

En la siguiente figura se ha representado un gas encerrado en un recipiente y las

variables termodinámicas que describen su estado.


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Cuando un sistema se encuentra en equilibrio, las variables termodinámicas

están relacionadas mediante una ecuación denominada ecuación de estado.

Variables extensivas e intensivas

En termodinámica, una variable extensiva es una magnitud cuyo valor es

proporcional al tamaño del sistema que describe. Esta magnitud puede ser

expresada como suma de las magnitudes de un conjunto de subsistemas que

formen el sistema original. Por ejemplo la masa y el volumen son variables

extensivas.

Una variable intensiva es aquella cuyo valor no depende del tamaño ni la

cantidad de materia del sistema. Es decir, tiene el mismo valor para un sistema

que para cada una de sus partes consideradas como subsistemas del mismo. La

temperatura y la presión son variables intensivas.


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Ley cero de la termodinámica

Esta ley explica que cuando un sistema se pone en contacto con otros, al transcurrir el tiempo,

la temperatura será la misma, porque se encontrarán en equilibrio térmico o dicho de otra

manera: la temperatura es una propiedad que posee cualquier sistema termodinámico y

existirá equilibrio térmico entre dos sistemas cualesquiera, si su temperatura es la misma.

A está muy

caliente

B y C están en

equilibrio térmico

A, B y C están en

equilibrio térmico

Las leyes de la termodinámica


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Primera Ley de la termodinámica

Establece las relaciones entre los flujos de energía que experimenta un sistema físicoy la forma en que cambian sus propiedades

Sentido práctico de la primera ley

• Es posible convertir calor en trabajo mecánico útil mediante máquinas térmicas.

• Las máquinas y turbinas de vapor, los motores de combustión interna, las turbinas de

gas y las plantas térmicas son consecuencia práctica de esta conversión.

• Esta conversión ha permitido el desarrollo industrial y el desarrollo tecnológico con

base en la utilización de los combustibles fósiles.

• Antes de estos descubrimientos se dependía de las energías humana, animal, eólicae hidráulica para realizar trabajo mecánico útil.


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Segunda ley de la termodinámica

Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo y cuyo único efecto sea generar

trabajo a partir del intercambio de calor con una única fuente de calor.

Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo y cuyo único efecto seatransmitir calor de fuente fría a una fuente caliente.

Consecuencias prácticas de la segunda ley

Las máquinas que generan potencia mecánica a partir del calor recibido de unafuente caliente, generan calor de desecho y deben contar con una fuente fría quereciba ese calor.

Los equipos de refigeración necesitan potencia mecánica y por ello entregan a lafuente caliente mayor calor que el que extraen al refrigerar la fuente fría.


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Tercera Ley de la Termodinámica.

La tercera ley tiene varios enunciados equivalentes:

"No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos“

Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos

se alcancen temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más

baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cualcesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde

aproximadamente a la temperatura de - 273,16ºC. Nunca se ha alcanzado tal

temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable.


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Vi

Vf

V = Vi - Vf

Trabajo termodinámico

El cilindro contiene gas encerrado por un pistón o émbolo. Para comprimir el gas se debe aplicar

una fuerza al émbolo, el cual al recorrer una cierta distancia disminuirá el volumen del gas,

realizando un trabajo de compresión. EL valor del trabajo efectuado puede calcularse de acuerdo

con la siguiente fórmula :

T = P(Vf – Vi)

T = trabajo realizado en joules a una presión constante del gasP = presión constante del gas en N/m2

Vf – Vi = variación de volumen en el gas en metros cúbicos m

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Original Al aplicar la fuerza

En la compresión de un gas , el

volumen final es menor al inicial, por

tanto, el trabajo realizado es negativo

y se dice que se realizó un trabajo de

los alrededores sobre el sistema

Al expandirse un gas el volumen final

es mayor al inicial y, por tanto, el

trabajo es positivo, entonces el

sistema realiza un trabajo sobre los

alrededores.


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Calcular el trabajo realizado al comprimir un gas que está a una presión de 2.5 atmósferas

desde un volumen inicial de 800 cm3 a un volumen final de 500 cm3. Expresar el resultado en

joules.

Datos Fórmula

T = ? T = P(Vf ─ Vi)P = 2.5 atm

Vi = 800 cm3

Vf = 500 cm3

Conversión de unidades

Sustitución y resultado

El signo menos del trabajo indica que serealizó trabajo sobre el sistema


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Resuelve el siguiente problema propuesto. Envía tu procedimiento detallado

escaneado al Buzón de Tareas.

Calcular el trabajo realizado al comprimir un gas que está a una presión de 5 atmósferasdesde un volumen inicial de 1600 cm3 a un volumen final de 1000 cm3. Expresar el resultado

en joules.


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Máquinas térmicas

• Máquinas térmicas: Son dispositivos que pueden transformar la energía térmica en

otras formas de energía, mecánica o eléctrica. Las más conocidas son: máquina devapor, turbina de vapor y motor de explosión o combustión interna.

Máquina y turbina de vapor

• Una máquina de vapor transforma en energía mecánica la energía calorífica que se

desprende en la combustión.


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Motor de combustión

• El combustible es quemado dentro del motor,

comprimiendo antes los gases. El gas resultante

empuja el émbolo que toma un movimiento

alternativo y rotatorio mediante una biela y unamanivela.

Central Térmica


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Referencias

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/variables.h

tml

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