LOS PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA

LOS PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA TEMA 8

Introducción

El funcionamiento de las máquinas térmicas y frigoríficas se basan en los dos principios de la termodinámica.

Las máquinas térmicas son capaces de producir trabajo mecánico sin recurrir a fuente alguna de energía, o bien extrayendo energía de una sola fuente.

Como curiosidad señalar que la máquina de vapor fue construida con anterioridad al establecimiento de la termodinámica. En este caso la aplicación práctica (TÉCNICA) surgió antes que el descubrimiento teórico (CIENCIA),en otras ocasiones es la tecnología quien desarrolla y busca aplicaciones prácticas a un descubrimiento teórico.

CIENCIA+TÉCNICA=TECNOLOGÍA

Calor y temperatura

El calor es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, es una energía en tránsito, por eso no tiene sentido hablar de calor almacenado en un cuerpo.

● La temperatura es una magnitud física que depende de la velocidad media de las partículas que constituyen el cuerpo (moléculas).Cuanto mayor sea la velocidad de las partículas mayor será su energía interna y por tanto su temperatura.

TERMODINÁMICA

SISTEMA TERMODINÁMICO

La termodinámica estudia las propiedades que se conocen como variables termodinámicas (composición y concentración de los componentes, presión, volumen, temperatura), que se refieren al comportamiento global de un número muy elevado de partículas y que definen el llamado estado del sistema.

Cuando estas variables tienen un valor definido para cada estado del sistema sin depender de los procesos que este haya experimentado reciben el nombre de funciones de estado.

TRANSFORMACIONES DE UN SISTEMA TERMODINÁMICO Las transformaciones de un sistema termodinámico desde un estado inicial a otro final pueden tener lugar de distintas formas que se representan gráficamente en un diagrama P-V. γ es el coeficiente adiabático y se calcula: C P /C V

Primer principio de la termodinámica En el ejemplo, al calentar el agua el tapón sale lanzado. El calor transmitido al agua se transforma en: -Lanzar el tapón (trabajo mecánico) -Aumentar la energía interna de las moléculas de agua

CALOR MOLAR (ESPECÍFICO) A PRESIÓN Y VOLUMEN CONSTANTE

Cálculo del trabajo de expansión, calor intercambiado y variación de energía interna en algunas transformaciones de gases ideales.

La variación de energía interna es independiente de las variaciones de presión y temperatura (ejemplo página 153).

Q=W exp

2º Principio de la Termodinámica

hay muchos enunciados equivalentes de la segunda ley de la termodinámica:

Un sistema aislado evoluciona de forma natural hacia las configuraciones más probables.

Un sistema aislado evoluciona de forma natural hacia la redistribución de la energía disponible equitativamente entre sus partes.

En los sistemas aislados, el calor fluye de los cuerpos calientes a los fríos.

La capacidad de un sistema aislado de convertir calor en trabajo decrece constantemente.

(5) Aunque la energía se conserva, la energía disponible en cualquier sistema aislado siempre disminuye.

(6) Los sistemas aislados evolucionan en el sentido en el que incrementan su entropía (disminuyen su orden).

Segundo principio de la termodinámica

Hay que darse cuenta de que la energía calorífica puede utilizarse para elevar una masa y realizar trabajo, sólo porque había una diferencia de temperaturas entre los dos gases.

Si inicialmente los gases hubieran estado a la misma temperatura, entonces el sistema habría estado en equilibrio y no habría habido flujo de calor.

Podría existir una gran cantidad de energía calorífica presente en ambos gases, en forma de movimientos moleculares, pero la energía no podría utilizarse para realizar trabajo.

Si el calor no fluye, el peso no se puede elevar.

El caso en el que las dos temperaturas son iguales, produciría el mismo efecto que salir de la ducha y tratar de secarse con una toalla húmeda. Si la toalla está tan húmeda como tú, no te podrás secar.

NO EXISTE UNA MÁQUINA CAPAZ DE CONVERTIR EL CALOR EN TRABAJO A EXPENSAS DE UNA SOLA FUENTE

CONSECUENCIAS A NIVEL GLOBAL

Ya que el calor fluye continuamente de los cuerpos calientes a los fríos en todos los lugares del universo, como dice la segunda ley de la termodinámica, el universo pierde gradualmente su capacidad de realizar trabajo.

La cantidad total de energía disponible disminuye constantemente. No sólo es que todas las máquinas del universo se estén descargando, sino que además la capacidad de reconvertir el calor resultante en trabajo se reduce con el tiempo.

No hay forma de eludir la unidireccionalidad de la segunda ley de la termodinámica.

Esta implicación sorprendente de la segunda ley, que ha intrigado y alarmado a la gente desde mediados del siglo xIx, se ha denominado la «muerte térmica» del universo.

Aún se debate entre los físicos de qué manera se aplica la segunda ley de la termodinámica al universo como un todo.

Máquinas térmicas

El deseo de construir máquinas tan eficientes como fuera posible fue el motivo de gran parte de la comprensión de la segunda ley.

La primera de estas investigaciones la realizó el científico, físico e ingeniero francés Sadi Carnot (memoria clásica «Reflections on the Motive Power of Fire(*)» (1824) ) una vez que la revolución industrial estaba a pleno ritmo.

En particular, Carnot quería saber la eficiencia teórica máxima de una máquina térmica (dispositivo que puede realizar trabajo movido por calor, llamado motor térmico.)

(*) Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia

Ciclo de CARNOT

La entropía es una magnitud que determina el grado de desorden de un sistema. Δ S=Q/T La tendencia en la naturaleza es a evolucionar a estados de mayor desorden

Termodinámica

Máquina térmica típica donde puede observarse la entrada desde una fuente de calor (caldera) a la izquierda y la salida a un disipador de calor (condensador) a la derecha. El trabajo se extrae en este caso mediante una serie de pistones.

La termodinámica (del griego θερμo, termo, que significa «calor»1 y δύναμις, dínamis, que significa «fuerza»)2 es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico.3 Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental.4 Los estados de equilibrio son estudiados y definidos por medio de magnitudes extensivastales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema,5 o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden ser tratadas por medio de la termodinámica.6

La termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio,7 definidos como aquel estado hacia «el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas».8 Tales estados terminales de equilibrio son, por definición, independientes del tiempo, y todo el aparato formal de la termodinámica -todas las leyes y variables termodinámicas-, se definen de tal modo que podría decirse que un sistema está en equilibrio si sus propiedades pueden ser descritas consistentemente empleando la teoría termodinámica.9 Los estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las restricciones a las que esté sometido. Por medio de los cambios producidos en estas restricciones (esto es, al retirar limitaciones tales como impedir la expansión del volumen del sistema, impedir el flujo de calor, etc), el sistema tenderá a evolucionar de un estado de equilibrio a otro;10 comparando ambos estados de equilibrio, la termodinámica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energía térmica entre sistemas térmicos diferentes.

Como ciencia fenomenológica, la termodinámica no se ocupa de ofrecer una interpretación física de sus magnitudes. La primera de ellas, la energía interna, se acepta como una manifestación macroscópica de las leyes de conservación de la energía a nivel microscópico, que permite caracterizar el estado energético del sistema macroscópico.11 El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son los que postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor o trabajo, y que sólo puede hacerse de una determinada manera. También se introduce una magnitud llamada entropía,12 que se define como aquella función extensiva de la energía interna, el volumen y la composición molar que toma valores máximos en equilibrio: el principio de maximización de la entropía define el sentido en el que el sistema evoluciona de un estado de equilibrio a otro.13 Es la mecánica estadística, íntimamente relacionada con la termodinámica, la que ofrece una interpretación física de ambas magnitudes: la energía interna se identifica con la suma de las energías individuales de los átomos y moléculas del sistema, y la entropía mide el grado de orden y el estado dinámico de los sistemas, y tiene una conexión muy fuerte

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