Resumenes videos el universo mecanico

El profesor en el vídeo comienza por explicar que la Termodinámica se basa en cuatro principos: 0) La temperatura tiene sentido, 1) Conservación de la energía, 2) Principio de la entropía y 3) Existe una temperatura tan baja que no se puede alcanzar, estos principios han permitido entender las propiedades de la materia e incluso el destino del universo. En el mundo real, el equilibrio es difícil de hallar; la Tierra es una máquina que nunca deja de trabajar y funcionar: “la máquina de la naturaleza”. Se explica que la máquina térmica se ha implementado en diferentes sectores desde hace siglos y desde entonces se sabe que el calor solo se mueve en una dirección: de una Temperatura alta a una Temperatura baja. La existencia de cualquier máquina e incluso la misma Tierra depende de que una de sus partes funcione a una temperatura mayor que la otra. En un vehículo es la ∆T entre la gasolina y aire explotando en los cilindros, y la temperatura del agua en un sistema de refrigeración. A mayor ∆T mejor funcionan las máquinas; esto implica que si la parte más caliente se enfría (por ejemplo si deja de fluir combustible), esto puede causar dificultades. En el vídeo se explica que cuando un cuerpo caliente entra en contacto con un frío, la energía térmica se propaga desde el cuerpo caliente al frío hasta que ambos alcanzan la misma temperatura (la simulación se puede ver en la imagen de la izquierda) ; esto es el estado de equilibrio. Un proceso similar al del calor que se propaga a un cuerpo frío es cuando un cuerpo cae y choca con el suelo; cada rebote es menor al anterior debido a que la E_c del cuerpo como un todo, se transforma en el caótico movimietnto de los átomos que lo componen; con el tiempo toda la energía disponible se llega a distribuir como E_c y E_p de los movimientos de todos los átomos. El equilibrio es un estado donde todas las T son iguales; por tanto es un lugar donde ninguna máquina funciona. La naturaleza parece impulsada hacia el estado de equilibrio, la explicación de este comportamiento tan universal comenzó con la intención de conseguir una mejor máquina de vapor. Carnot demostró que: “Para una fuente de trabajo competente, ninguna tan eficiente como una que sencillamente no funcione”. Él definió una máquina tan perfecta como la naturaleza lo permitiera. Dada una diferencia de temperaturas (T_i y T_0), la máquina de Carnot toma calor Q_i a la T_i, convierte una parte en trabajo W y expulsa el resto como calor Q_0 a la temperatura más baja T_0. Como el ciclo de Carnot podía funcionar en sentido inverso, esta era la máquina más eficiente que se podía tener. Clausius y Thompson recuperaron las ideas de Carnot, ellos notaron que el cociente \frac{Q_0}{Q_i} es igual a \frac{T_0}{T_i}; “lo que entra sigue siendo lo mismo al salir”, por tanto \frac{Q_i}{T_i}=\frac{Q_0}{T_0} y según Clausius esto es la entropía. En una máquina de Carnot una cierta entropía entra a Temperatura alta , realiza su trabajo y la misma cantidad de entropía sale a Temperatura baja. Una máquina ideal no solo conserva la energía sino también la entropía. En el mundo real, todas las máquinas conservan la energía (W=∆Q) pero utilizando las mismas temperaturas, la máquina real produce menor W que la máquina ideal de Carnot y desprende más calor; aunque la S que entra puede ser la misma que la máquina de Carnot, la que sale es mayor. En la máquinas reales el calor que fluye no es isotérmico, los movimientos del émbolo no son adiabáticos, hay rozamiento entre las partes en movimiento; todas las máquinas reales fabrican entropía. Incluso las máquinas de la madre naturaleza van produciendo entropía día tras día. Si el calor sale de un cuerpo a temperatura T, la entropía diminuye en ∆S=QT pero si el calor entra a la temperatura T, la entropía del cuerpo se incrementa en esa cantidad. Si se llega a terminar el combustible en una máquina, deja de haber flujo de calor, su temperatura baja poco a poco y cuando llega a la temperatura del medio que lo rodea, entonces estará en un estado de equilibrio. Siempre que circule el calor y un cuerpo caliente este más caliente que un cuerpo frío; aumentará la S y continuará aumentando hasta el estado de equilibrio; el estado de equilibrio es el estado de máxima entropía. Para comprender mejor lo anterior, se explica que en un vaso de agua con hielo, mientras el hielo se transforma en agua, la S del agua está aumentando. Cualquier sólido es un estado de más baja S que el de la misma materia en forma líquida, cuyas moléculas están desorganizadas cuando el hielo se funde; se aumenta su S pero antes de fundirse el hielo, debe aumentar su energía, y lo consigue del resto del universo, reduciendo la entropía del resto del universo. La magnitud que la naturaleza se esfuerza por maximizar no es solamente la S; a medida que la temperatura de cualquier muestra menos la temperatura multiplicada por la entropía disminuye, la entropía de todo el universo aumenta, F=E-TS. Cada partícula de materia en el mundo hace que su propia parte de energía libre sea lo más pequeña posible, y esto es lo que se requiere para maximizar la S del universo; del orden al desorden. Se comenta que durante algún tiempo, se ha pensado que la entropía creciente en el universo conduciría al propio universo a un estado definitivo de desorden, lo que se denomina “la muerte térmica del universo”.

El principio de entropía nos ayuda a comprender el rendimiento de las máquinas de vapor y porque los líquidos se congela a cierta temperatura, y los sólidos se funden a cierta temperatura. Pero existe la creencia de que el principio de la entropía define la dirección del flujo del tiempo. A nivel microscópico la ley de la entropía no se aplica; las leyes de la física funcionan igualmente en un sentido y en el inverso, en este nivel el tiempo no tiene una dirección determinada, contrario a nivel macroscópico donde el sentido en que se cae una pelota es evidente.

Nicolas Leonard Sadi Carnot estaba interesado en las máquinas de vapor. La máquina de vapor trajo consigo muchos cambios. El vapor surgió en la era industrial y fue la fuerza de la revolución, las máquinas de vapor reconvirtieron los telares de la industria algodonera, cortaba y daba forma a la madera, impulsa émbolos y movía palancas. El poder de la máquina de vapor era energía, movimiento y cambio, además de un símbolo de oportunidad. James Watt descubrió que utilizando un condensador se podía enfríar el vapor fuera del cilindro principal, progresando así la era del vapor con esta mejora. La ciencia propia de la máquina de vapor es el cilindro, cuyo extremo móvil es empujado por vapor a presión. El cilindro recibe vapor a alta presión, que empuja el émbolo hacia afuera, ejerciendo un trabajo sobre el volante, y este empuja nuevamente el émbolo hacia adentro, expulsando el vapor gastado a través de otra válvula y la máquina está lista para un nuevo ciclo. Carnot pensó en la máquina de vapor más eficiente que permitiese la naturaleza; se inspiró en la rueda hidraúlica. La rueda hidráulica fue el primer paso para pasar de la cultura agraria hacia la revolución industrial. Pensó que de la misma manera que el agua mueve las ruedas hidráulicas fluyendo de un nivel superior a uno inferior; una máquina vapor es accionada en el entonces “caloríco” que fluía de una temperatura alta a una temperatura menor, con esta deducción Carnot encontró como la naturaleza limitaba la eficiencia de una máquina de vapor. Ninguna máquina o combinación de máquinas pueden jamás tener el efecto de hacer pasar más calor hacia temperaturas altas que hacia temperaturas bajas, siendo este el segundo principio de la termodinámica. Carnot se dio cuenta de que una rueda hidráulica girando en sentido inverso podría ser utilizada para llevar agua hacia “arriba”, incluso la rueda hidráulica podría impulsar otra rueda en snetido contrario. El agua que caía por un lado se utilizaba para elevar agua por el otro, comprendió que la máquina combinada jamás podría subir más cantidad de agua hacia arriba que la que fluía hacia abajo; estas ideas pero en términos de flujo de calor se convirtieron en el segundo principio de la termodinámica. Con base en lo anterior, Carnot comprendió que la mejor máquina que la naturaleza podría permitir era aquella que pudiese tomar vapor a baja temperatura y lo llevase a temperatura alta, es decir, una máquina que pudiera trabajar igual de bien en un sentido y en el contrario. En una máquina ordinaria, entra calor a temperatura alta, se genera trabajo y sale calor a temperatura baja. Carno imaginó una máquina que trabajara en sentido inverso: Calor entraría a temperatura baja mediante un trabajo externo y se produciría calor a temperatura alta, y una máquina que funciona de esta forma es el frigorífico, el cual mediante un motor extrae calor de donde ya está frío y lo deposita a temperatura más alta en el exterior; en su época esto fue un reto para Carnot. Carnot redujó la máquina de vapor a sus elementos esenciales: cilíndro y émbolo, llenando el primero de aire. Al calentarse, el aire se expande y lleva el émbolo hacia afuera. Se enfría y el aire se contrae, llevando el émbolo hacia adentro y así realizando un trabajo. Entra energía calorífica y sale menos energía calorífica y la diferencia aparece como trabajo útil. La máquina idea comparte las características más importantes de las máquinas reales, pero existe un problema: el calor fluye fácilmente desde una fuente caliente hacia una fuente fría; estos pasos no pueden invertirse. En el ciclo de Carnot, se tienen cuatro procesos: expansión isotérmica, expansión adiabática, compresión isotérmica y compresión adiabática, cada uno de estos pasos funcionan igualmente

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