Principios de Termodinámica

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Introducción a la termodinámica.

Principios de Termodinámica

Termodinámica: La termodinámica es la parte de la física que estudia las transferencias de calor, la conversión de la energía y la capacidad de los sistemas para producir trabajo. Las leyes de la termodinámica explican los comportamientos globales de los sistemas macroscópicos en situaciones de equilibrio.

Sistema: Un sistema termodinámico es un conjunto de aproximaciones naturales o artificiales en donde se analiza el proceso de intercambio de energía y el cambio de la materia al exponerse ante otra sustancia. Existen pues, tres variantes: sistema abierto, sistema aislado y sistema cerrado.

Propiedad de estado y proceso: Una propiedad de estado termodinámica es una cantidad que describe la condición o existencia de un sistema termodinámico en un punto particular y en un determinado instante de tiempo. Las propiedades de estado son funciones de estado, lo que significa que solo dependen de los estados inicial y final del sistema, y no del camino que siga el proceso termodinámico. Las propiedades de estado pueden ser extensivas o intensivas, según dependan o no de la cantidad de materia en el sistema.

Sistema Abierto: Este sistema es el que se ve dentro de la naturaleza, la materia tiene contacto directo con su medio ambiente y junto con diversos objetos. Causando el intercambio de energía constante y el equilibrio termodinámico natural.

Sistema Aislado: Es aquel que no permite el intercambio de energía y materia con su entorno. Por lo tanto, su energía interna permanece intacta. A pesar, de que es una teoría los expertos presumen que el universo es parte de un sistema aislado.

Sistema Adiabático: Un sistema adiabático es un sistema termodinámico que no intercambia calor con su entorno. El sistema puede considerarse perfectamente aislado y su calor permanece constante. En un sistema adiabático, la energía se transfiere solo como trabajo. Un sistema adiabático que es reversible se llama isoentrópico.

Frontera: La frontera de un sistema termodinámico es el extremo que divide el sistema del ambiente externo al sistema. Las fronteras de sistemas termodinámicos se suponen ideales, sin masa y sin grosor y su ubicación puede variar en ciertos sistemas termodinámicos, así como también puede estar fijo.

Temperatura, Volumen y Presión.

Temperatura: La temperatura termodinámica es una magnitud física que indica la energía interna de un sistema termodinámico. Se define como la medida de la energía cinética media de las moléculas que forman el sistema. La temperatura se determina por el principio cero de la termodinámica, que establece que dos sistemas en equilibrio térmico tienen la misma temperatura.

Volumen: El volumen de un sistema termodinámico es un parámetro extensivo que describe su estado termodinámico. El volumen específico es el volumen por unidad de masa. El volumen es una función del estado y depende de otras propiedades como la presión y la temperatura. Por ejemplo, el volumen de un gas ideal se rige por la ley del gas ideal. Cuando el volumen de un sistema se mantiene constante, se dice que el proceso es isocórico, isométrico o isovolumétrico.[pic 3]

Presión: La presión en termodinámica se define como la componente normal de la fuerza mecánica ejercida sobre la unidad de área de la superficie en un punto de la superficie límite de un sistema en equilibrio. Es una magnitud que se define como la derivada de la fuerza con respecto al área. La presión es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional al área. Es importante tener en cuenta que la termodinámica utiliza la presión absoluta y no la manométrica.[pic 4][pic 5]

Factores de conversión de variables termodinámicas: Un factor de conversión es una operación matemática, para hacer cambios de unidades de la misma magnitud, o para calcular la equivalencia entre los múltiplos y submúltiplos de una determinada unidad de medida. Dicho con palabras más sencillas, un factor de conversión es «una cuenta» que permite expresar una medida de diferentes formas. Los factores de conversión en termodinámica son necesarios para convertir una unidad de medida en otra. A continuación, se presentan algunos factores de conversión:

Presión: 1 atm = 1,01325 bar[pic 6]

Viscosidad dinámica: 1 Pa s = 10 P

Viscosidad cinemática: 1 m²/s = 10⁴ St

Energía: 1 kcal = 4,1868 kJ

Potencia: 1 CV = 735,5 W

Instrumentos de Medición de Variables Termodinámicas: Los instrumentos de medición de variables termodinámicas son aparatos que se utilizan para caracterizar el estado de un sistema termodinámico, como la presión, el volumen, la temperatura y la masa. Algunos ejemplos de estos instrumentos son: el manómetro, el termómetro, el barómetro y la balanza. Estos instrumentos son importantes para poder resolver problemas de termodinámica y de ingeniería.

Ejemplo 1- Termómetro: El termómetro es un instrumento de medición dé temperatura. Desde su invención ha evolucionado mucho, principalmente a partir del desarrollo de los termómetros digitales. [pic 7]

Inicialmente se fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. La sustancia que se utilizaba más frecuentemente en este tipo de termómetros ha sido él mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada, pero también alcoholes coloreados en termómetros grandes.

Ejemplo 2. Multímetro: Un multímetro es un instrumento eléctrico portátil que permite medir directamente magnitudes eléctricas activas, como corrientes y potenciales (tensiones), o pasivas, como resistencias, capacidades y otras. Es capaz de hacer mediciones en circuitos eléctricos de corriente continua y de corriente alterna. Un multímetro es usado ampliamente por técnicos e ingenieros electricistas para medir las tres características eléctricas básicas: voltaje, corriente y resistencia. [pic 8]

2da. Ley de la Termodinámica

2da. Ley de la Termodinámica para sistemas abiertos y cerrados:

La segunda ley de la termodinámica es una ley física que establece que la entropía de un sistema aislado nunca disminuye, sino que tiende a aumentar con el tiempo. Esto implica que los sistemas en contacto tienden a igualar sus diferencias de temperatura, presión y densidad. También implica que no es posible convertir todo el calor absorbido en trabajo, ni transferir calor de un cuerpo frío a otro más caliente sin una fuente externa de energía.

Un sistema abierto es aquel que puede intercambiar materia y energía con su entorno, mientras que un sistema cerrado solo puede intercambiar energía. La segunda ley de la termodinámica se aplica tanto a sistemas abiertos como cerrados, pero con algunas diferencias. Para un sistema cerrado, la entropía total del sistema y su entorno siempre aumenta o se mantiene constante. Para un sistema abierto, la entropía del sistema puede disminuir si hay una transferencia neta de entropía hacia el exterior.

Ciclo Carnot: El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico que se produce en un equipo o máquina cuando trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de una fuente de mayor temperatura y cediendo un calor Q2 a la de menor temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior.

El rendimiento de este ciclo viene definido por:

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Entropía: Es una magnitud que nos entrega el grado de desorden o caos de un sistema. Si algo se ordena es porque recibe energía externa al sistema. La entropía se aplicó inicialmente a sistemas termodinámicos para tener una idea de la cantidad de calor disipado por un cuerpo.

En un cuerpo que libera energía calorífica, las moléculas que lo componen se mueven a mayor velocidad chocando unas con otras, y cada choque de moléculas se libera alguna cantidad de energía en forma de calor.

La entropía, al igual que la energía térmica, está contenida en el objeto. Si aumenta el calor de un objeto, aumenta su entropía; si el calor disminuye, su entropía es menor. Si un objeto realiza trabajo sin cambio en la temperatura, la entropía no cambia si se desprecia el roce.

La entropía aumenta cuando un sistema evoluciona de forma irreversible, es decir, cuando se remueven restricciones o se libera energía. La entropía es máxima cuando un sistema alcanza el equilibrio termodinámico. La entropía también determina la parte de energía que no se puede usar para producir trabajo.

Tipos De Procesos Termodinámicos

Proceso Isobárico: Un proceso isobárico es aquel en el que la presión del sistema (a menudo un gas) permanece constante. ‘Iso ‘significa lo mismo y ‘baric ‘significa presión. La presión está relacionada con la cantidad de fuerza que las moléculas aplican a las paredes del recipiente. Imagina que tienes un gas dentro de un pistón móvil y lo calientas. Al calentar el gas, las moléculas se mueven más rápido, lo que normalmente aumentaría la presión. Pero al mismo tiempo, el pistón se expande, aumentando el volumen y dando a las moléculas más espacio para moverse. Dado que las paredes del recipiente ahora son más grandes, la presión puede permanecer igual, aunque las moléculas se muevan más rápido. Eso lo convierte en un proceso isobárico.

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