Termodinamica

INTRODUCCION

Los sistemas mecánicos disipan energía en forma de calor, es decir, que la energía no desaparece si no que se transforma en energía térmica.la termodinámica que en griego termo significa calor y dinamis fuerza es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico, la termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio definidos como aquel estado en 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. Existen casos en el que la energía térmica se usa como fuente de potencia, en el siglo XVIII se inventan maquinas que convierten la energía térmica en trabajo mecánico, la primera fue la máquina de vapor en 1765 James Watt invento un método para condensar y recircular el vapor en una maquina. Esta fuente de potencia resulto bastante eficiente y revoluciono el transporte y la producción industrial.

En 1824 Sadi Carnot estableció los principios del estudio sobre la eficiencia de los motores y la reversibilidad de los procesos térmicos.

En general podemos decir que la termodinámica estudia las transformaciones físicas y químicas de la materia en otras palabras la termodinámica se encarga de estudiar la transformación de la energía mecánica así como el proceso inverso, la conversión del trabajo de calor.

La energía térmica es la energía cinética (relacionada con el movimiento) media de un conjunto muy grande de átomos o moléculas. Esta energía cinética media depende de la temperatura, que se relaciona con el movimiento de las partículas (átomos y moléculas) que constituyen las sustancias

TEMPERATURA Y CALOR

Dos conceptos fundamentales aparecen en el estudio de procesos termodinámicos, temperatura y calor tales conceptos surgen con mucha frecuencia en nuestra vida cotidiana.

La temperatura es una medida relativa o indicativa de lo caliente o frio. Decimos que es relativa por que los términos caliente o frio son relativos. Para un esquimal una temperatura de 0°C es alta considerando que el clima en el que normalmente viven es normalmente de -30°C mientras que la misma temperatura para nosotros puede ser muy baja, mediante el tacto puedes percibir la temperatura, pero esta percepción no es suficientemente precisa como para considerarla una forma de medición científica para ello se han diseñado métodos y escalas cuantitativas. La medición de la temperatura te indica cuanto más caliente o frio esta un objeto respecto de otro. La temperatura se mide con termómetros.

Las escalas de temperatura Celsius y Fahrenheit se construyeron tomando dos puntos de referencia muy familiares: la congelación y la ebullición del agua. En 1702 un científico llamado Guillaume Amontons descubrió que si se mantiene constante el volumen de un gas, al disminuir su temperatura la presión del gas disminuye en forma lineal hasta que este se licua y el proceso termina repentinamente. De la misma manera, si la presión se mantiene constante, al disminuir la temperatura el volumen del gas se contrae de manera lineal y tiende al volumen cero. En ambos casos, el límite de la temperatura fue igual a -273.15°C. a este valor de temperatura se le llamo cero absoluto. La temperatura es la medida de la energía térmica de una sustancia. Se mide con un termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centígrada) y la Escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1 K, la única diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a - 273 ºC. En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado. En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius. Cuando dos cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto, terminan igualando sus temperaturas. Entonces se dice que se ha alcanzado el equilibrio térmico. Cuando dos sistemas entran en contacto, las partículas con mayor energía cinética transfieren, mediante choques, parte de su energía a las restantes partículas, de manera que al final la energía cinética media de todo el conjunto es la misma. Cuando dos sistemas en desequilibrio térmico entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía térmica al de menor temperatura hasta conseguir el equilibrio térmico. El calor es la transferencia de energía desde un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura hasta otro de menor temperatura. Cuando ambos cuerpos igualan sus temperaturas se detiene la transmisión de energía. El calor siempre se transfiere desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, independientemente de sus tamaños relativos.

Unidades de medida del calor El calor se mide en unidades de energía. Por tanto, en el Sistema Internacional su unidad es el julio (J). Sin embargo, la unidad tradicional para medir el calor es la caloría (cal). La equivalencia es:

1 cal = 4,184 J ó 1 J = 0,24 cal

¿Cómo se transfiere o transmite el calor?

La transmisión de calor siempre ocurre desde el cuerpo más caliente al más frío. Se puede dar por tres mecanismos: Conducción, convección y radiación.

Conducción

El proceso por el que se transmite calor de un punto a otro de un sólido se llama Conducción.

En la conducción se transmite energía térmica, pero no materia. Los átomos del extremo que se calienta, empiezan a moverse más rápido y chocan con los átomos vecinos transmitiendo la energía térmica.

Las sustancias tienen distinta conductividad térmica, existiendo materiales conductores térmicos y aislantes térmicos.

Conductores térmicos: Son aquéllas sustancias que transmiten rápidamente la energía térmica de un punto a otro. Por ejemplo, los metales.

Aislantes térmicos: Son aquéllas sustancias que transmiten lentamente la energía térmica de un punto a otro. Ejemplos: Vidrio, hielo, ladrillo rojo, madera, corcho, etc. Suelen ser materiales porosos o fibrosos que contienen aire en su interior.

Los gases son muy malos conductores del calor; por eso, el aire contenido entre las dos hojas de las ventanas con doble acristalamiento constituye un método muy eficaz para reducir las pérdidas de calor a través de ellas. El hielo es un buen aislante térmico. La temperatura que se alcanza en el interior del iglú se mantiene bastante estable.

Convección

La convección es el proceso por el que se transfiere energía térmica de un punto a otro de un fluido (líquido o gas) por el movimiento del propio fluido.

Al calentar, por ejemplo, agua en un recipiente, la parte del fondo se calienta antes, se hace menos densa y sube, bajando el agua de la superficie que está más fría y así se genera un proceso cíclico. En la convección se transmite energía térmica mediante el transporte de materia.

Radiación

La radiación es el proceso por el que los cuerpos emiten energía que puede propagarse por el vacío. La energía que los cuerpos emiten por este proceso se llama Energía radiante. Por ejemplo, la Tierra recibe energía radiante procedente del Sol, gracias a la cual la temperatura del planeta resulta idónea para la vida. Todos los cuerpos radian energía en función de su temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía de la radiación que emiten. Las radiaciones de alta frecuencia son las que tienen más energía (rayos gamma, rayos X, ultravioleta).

Todos los cuerpos absorben radiación, pero también reflejan parte de ella. Los cuerpos que absorben las radiaciones, pero reflejan muy pocas, se perciben como oscuros o negros (si no reflejan ninguna). Por el contrario, los cuerpos que reflejan las radiaciones y absorben muy pocas, se perciben como claros o blancos (si las reflejan todas).

Ley cero de la termodinámica

La ley cero de la termodinámica establece que si un cuerpo A se encuentra a la misma temperatura que un cuerpo B y este tiene la misma temperatura que un tercer cuerpo C, entonces, el cuerpo A tendrá la misma temperatura que el cuerpo C. Por lo cual estaremos seguros de que tanto el cuerpo A, como el B y C, estarán los tres, en equilibrio térmico. Es decir: los cuerpo A, B y C, tendrán igual temperatura. Si dos o más cuerpos se encuentran a diferente temperatura y son puestos en contacto, pasado cierto tiempo, alcanzarán la misma temperatura, por lo que estarán térmicamente equilibrados. Esta ley de la termodinámica ha sido utilizada en dispositivos como el termómetro para medir temperatura. A pesar de que el termómetro es primitivamente usado desde la época de Galileo, esta ley fue enunciada mucho después, por James Clerk Maxwell, y formulada como una ley posteriormente por Ralph Fouler. Sabemos por experiencia que el tacto es un índice de lo caliente o frio que pueda estar un cuerpo; pero no es suficiente: asi nunca sabremos valores numéricos exactos (que sí nos proporciona el termómetro), como medir la temperatura de una maquina térmica, un refrigerador, un alto horno, para derretir acero y

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