Reversibilidad Termodinámica

Reversibilidad Termodinámica

Objetivo

Comprobar los procesos tanto reversibles como irreversibles y demostrar el concepto de reversibilidad termodinámica utilizando un sistema de fuerzas generadas en una balanza analítica.

Guía de estudios

1.- Defina el concepto de fuerza.

La fuerza es una magnitud vectorial que representa toda causa capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo o de producir una deformación en él.

Su unidad en el Sistema Internacional es el Newton (N). Un Newton es la fuerza que al aplicarse sobre una masa de 1 Kg le provoca una aceleración de 1 m/s2. (1)

2.- ¿Cómo se logra el equilibrio mecánico en un sistema donde actúan varias fuerzas?

Para conseguir el equilibrio en un sistema es necesario que la fuerza de acción (Fs) sea igual a la fuerza de oposición (Fo) y así se pueda obtener una fuerza resultante (Fr) igual a cero. (2)

3.- Escriba la ecuación que define el trabajo termodinámico.

El trabajo termodinámico se define en función de la fuerza de oposición  al sistema y la distancia del desplazamiento generado d.[pic 1]

[pic 2]

 θ es el ángulo formado entre la fuerza de oposición y la dirección del desplazamiento. (2)

4.- Explique en qué consiste el giro de un sistema de coordenadas, x,y.

En el cambio de un sistema de coordenadas rectángular (x,y) a otro con el mismo origen y girando un ángulo α (x’,y’), la situación queda definida completamente por este ángulo, de forma que  las nuevas coordenadas pueden expresarse mediante las antiguas coordenadas y las correspondientes razones trigonométricas (seno y coseno). (3)

5.- Defina trabajo producido y trabajo destruido en el entorno, ¿con qué signo aritmético identifica a cada uno?

El trabajo producido es el trabajo que ha fluido hacia el entorno y se lleva a cabo cuando se eleva la masa, por lo tanto el trabajo producido es una cantidad con signo positivo (+). La fuerza en el sistema es mayor a la fuerza en el entorno, por lo tanto la masa en el entorno se eleva.

El trabajo destruido es aquel que fluye desde el entorno. Lleva signo negativo (-) debido a que la fuerza en el sistema es menor y por lo tanto en el entorno la masa desciende. (4)

6.- En general, ¿cuál es el orden de magnitud de un incremento o delta fuerza ΔF y cuál el orden de magnitud de un diferencial dF?.

El ΔF es demasiado grande, pero es finito y es medible. En cambio el dF es infitesimalmente pequeño, por lo cual es imposible de medir. (2)

7.-¿Qué es un proceso reversible y cuáles son sus características?

Se dice que se está realiando un proceso reversible cuando la fuerza resultante es una cantidad infinitesimalmente pequeña, del orden de un diferencial (). [pic 3]

Las características de este proceso son:

• Velocidades cercanas a cero.
• Tiempos infinitamente grandes.
• No hay fricción.
• Nunca se sale del equilibrio más que de una manera diferencial.
• Recorre una sucesión de estados de equilibrio.
• Las fuerzas impulsoras que ocasionan el desequilibrio tiene una magnitud diferencial.
• Se puede invertir este proceso en cualquier punto mediante un cambio de diferencial en las condiciones externas.
• Cuando se invierte vuelve a trazar su trayectoria original y restaura el estado inicial del sistema y sus alrededores.

En un proceso reversible la cantidad de trabajo obtenida es máxima. (2)

8.- ¿Qué es un proceso irreversible y cuáles son sus características?

Un proceso irreversible es aquel que tiene una fuerza resultante muy grande, pero finita, por lo cual es medible (). Las características de este proceso son: velocidades grandes y tiempos de realización relativamente cortos. Algunos factores que causan que un proceso sea irreversible son la fricción, expansión libre, deformación inelástica de sólidos, entre otras. (2)[pic 4]

9.- Explica ¿por qué la fricción es un factor que causa que un proceso sea irreversible?

Cuando 2 cuerpos en contacto son forzados a moverse con respecto al otro, en la interface de ambos se genera una fricción que se opone al movimiento, porque se requiere algo de trabajo para vencer esta fuerza. La energía suministrada como trabajo se convierte en calor, un aumento de temperatura en la interfaz. Cuando se invierte la dirección los cuerpos se restablecen a su posición original pero la interfaz no se enfría y el calor no se convierte de nuevo en trabajo. (5)

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