Energía Calor y Trabajo

Energía Calor y Trabajo 

Para llevar a cabo el estudio de la termodinámica, se debe conocer tres conceptos fundamentales: energía, calor y trabajo.

OBS: Todo sistema termodinámico se pueden considerar como la suma de todas las partículas que forman el sistema. Así, la observación macroscópica del sistema responde al comportamiento promedio de todas las partículas que forman el sistema. ejemplo, una barra de hinchas en el estadio

Energía: Se define “como la capacidad de un sistema para producir trabajo”. Cualquier sistema químico o físico, a una presión y temperatura dada posee una cantidad de energía almacenada en su interior, llamada “Energía Interna” 

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La energía interna (U) es una propiedad característica del estado en que se encuentra un sistema y equivale a la suma total de la energía cinética y potencial de todas las partículas individuales que componen el sistema:

U = ∑ (Eci + Epi)

La energía interna (U) es una función de estado, porque solo depende de la condición del estado inicial y final del sistema y es una variable extensiva, ya que depende de la cantidad de materia (masa) del sistema.

[pic 1]

CALOR (Q)  se denomina calor a la energía transferida en un proceso (por ejemplo: entre el sistema y su entorno) “cuando existe una diferencia de temperatura (∆T)”.

En otras palabras, el calor es la energía que se transfiere de un cuerpo o zona de mayor temperatura a otro cuerpo o zona de menor temperatura.

Una vez que se alcanza el equilibrio térmico (se igualan las temperaturas), deja de haber transferencia de energía, y por tanto no hay calor.

El calor no es una función de estado, ya que no es una propiedad del sistema.

NOTA Los cuerpos no guardan calor, (por mas temperatura que tengan), lo que guardan es energía, un indicador de la cantidad de “energía térmica” que tiene un cuerpo es la “Temperatura”. Así, un cuerpo que tenga mayor temperatura que otro, indica que posee una mayor cantidad de energía térmica, que la puede transmitir en forma de calor

Por tanto la diferencia que existe entre calor y temperatura es:

Calor, es la “energía en tránsito” que se transfiere cuando existe un ∆T, se mide en [Joule]  

Temperatura, es un indicador de la cantidad de energía térmica que tiene una cuerpo, se mide en [ºC , K o ºF].  

Nota: La energía térmica es la energía cinética (movimiento) que tienen las partículas (átomos moléculas o iones) que forman una sustancia. En el caso de los sólidos el movimiento es de vibración, para los líquidos es de vibración y traslación, para los gases es de traslación.  

TRABAJO (W)  Es la energía transferida entre el sistema y su entorno cuando existe un desplazamiento mecánico. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera  

W = F * d

El trabajo al igual que el calor, No es una función de estado, pues depende del camino recorrido.

Convenio de signos: 

Imaginemos un sistema formado por un cilindro con un pistón en el cual se encierra un gas. El sistema se puede mover empujando el pistón hacia fuera cuando el gas se expande en el interior del cilindro o el sistema se puede comprimir cuando el pistón empuja el gas dentro del cilindro. [pic 2]

Para señalar el sentido del intercambio energético que se produce entre el sistema y su entorno, se ha considerado el siguiente criterio de signos:  

.- Cuando el sistema realiza trabajo sobre el entorno, el trabajo es entonces -W.

.- Cuando el entorno realiza trabajo sobre el sistema, el trabajo es entonces +W.

.- Cuando el sistema libera calor al entorno, el calor es entonces –Q, el sistema pierde energía        y el proceso se llama “Exotérmico”  

.- Cuando el sistema absorbe calor del entorno, el calor es entonces +Q, el sistema gana     energía y el proceso se llama “Endotérmico”

Leyes de la Termodinámica 

Ley Cero 

El Principio Cero de la Termodinámica establece que si un sistema A está en equilibrio térmico con un sistema B, y este sistema B está en equilibrio térmico con otro sistema C, entonces los  sistemas A y C están en equilibrio térmico.

Lo que tienen en común los tres sistemas es la Temperatura. Asi:

[pic 3]

Este principio permite construir instrumentos para poder medir la temperatura de un sistema. 

Sin embargo, lo relevante de este principio es que introduce el concepto de Temperatura 

TEMPERATURA 

La Temperatura es una propiedad de estado intensiva relacionada con la energía térmica del sistema debido al movimiento desordenado de las partículas que lo constituyen. Su cambio supone el cambio repetitivo y predecible en otras propiedades del sistema, lo que permite asignarle un valor numérico.

Conversiones:                         

Existen diferentes escalas para medir temperaturas, las más importantes son la escala Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit.

TK = Tc + 273,15°, donde TK representa la temperatura en Kelvin y Tc representa la temperatura en grados Celsius, es decir, 0 0C = 273,15 K

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