Practica 3 Termodinamica

OBJETIVO

El alumno determinará con los datos obtenidos en el laboratorio el trabajo desarrollado en un Proceso Termodinámico.

CONSIDERACIONES TEÓRICAS

INTRODUCCIÓN

La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo. Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura, o sea, el calor es muy semejante al trabajo.

El calor se define como una transferencia de energía debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energía que no se debe a una diferencia de temperatura. Al hablar de termodinámica, con frecuencia se usa el término "sistema". Por sistema se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar. El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente". Se consideran varios tipos de sistemas: En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por sus fronteras.

En cualquier proceso no se crea ni se destruye energía, sea que se trate de la caída de un ladrillo, de la fusión de un cubo de hielo o de la combustión de gasolina. Se puede transferir energía entre el sistema y su entorno, o bien convertirla de una forma en otra, pero la energía total permanece constante.

Expresamos la primera ley de la termodinámica en términos matemáticos como ΔE q w, donde ΔE es el cambio de energía interna de un sistema, q es el calor absorbido del entorno por el sistema, y w es el trabajo realizado sobre el sistema por el entorno. La primera ley nos ayuda a hacer el balance, por así decirlo, del calor intercambiado y del trabajo realizado en un proceso o reacción en particular. Sin embargo, debido a que la energía se conserva no se puede tomar el cambio de energía mismo como criterio de si es favorable que se lleve a cabo el proceso; todo lo que podamos hacer para reducir la energía del sistema elevará la energía del entorno, y viceversa. No obstante, nuestra experiencia nos dice que ciertos procesos ocurren siempre, pese a que la energía del universo se conserva. Por ejemplo, el agua que se coloca en un congelador se convierte en hielo. Un clavo lustroso que se deja al aire libre termina por enmohecerse. Al tocar un objeto caliente, se transmite calor al dedo. En todos estos procesos se conserva la energía, tal como debe ser de acuerdo con la primera ley de la termodinámica; sin embargo, se llevan a cabo sin intervención externa; se dice que son espontáneos. Calor es la energía que se intercambia entre un sistema y sus alrededores como resultado de una diferencia de temperaturas. La energía, en forma de calor, pasa desde el cuerpo más caliente (con una temperatura más alta) hasta el cuerpo más frío (con una temperatura más baja). A nivel molecular, las moléculas del cuerpo más caliente ceden energía cinética a través de colisiones a las moléculas del cuerpo más frío.

La energía térmica se transfiere, es decir, el calor (fluye) hasta que se igualan los valores medios de las energías cinéticas moleculares de los dos cuerpos; hasta que las temperaturas se igualan. El calor, como el trabajo, describe la energía en tránsito entre un sistema y sus alrededores.

La transferencia de calor puede causar no solamente una variación de temperatura que, en algunos casos, puede modificar el estado de la materia. Por ejemplo, cuando se calienta un sólido, las moléculas, átomos o iones del sólido se mueven más intensamente y llegan a desligarse de sus vecinas venciendo las fuerzas atractivas existentes entre ellas. Para vencer estas fuerzas atractivas hace falta energía. La temperatura permanece constante durante el proceso de fusión mientras que la energía térmica transferida (calor) se utiliza para vencer las fuerzas que mantienen unido al sólido. Los procesos que tienen lugar a temperatura constante se dice que son isotermos. Una vez que el sólido ha fundido por completo, cualquier flujo de calor adicional se utilizará para elevar la temperatura del líquido resultante.

Aunque habitualmente utilizamos expresiones como (se pierde calor), (se gana calor), (fluye calor) y (el sistema cede calor a los alrededores), no debe pensar que estas afirmaciones significan que un sistema contiene calor. Esto no es cierto la energía contenida en un sistema es una magnitud denominada energía interna. El calor es simplemente una forma de transferir una cantidad de energía a través de las paredes que separan un sistema de sus alrededores.

Es razonable esperar que la cantidad de calor, q, que hace falte para modificar la temperatura de una sustancia dependa de:

• Cuánto deba cambiar la temperatura.

• La cantidad de sustancia.

• La naturaleza de la sustancia (tipo de átomos o moléculas).

Históricamente, la cantidad de calor necesaria para modificar un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua fue llamada caloría (cal). La caloría es una unidad de energía pequeña y la unidad kilocaloría (kcal) ha sido también ampliamente utilizada. La unidad SI para el calor es simplemente la unidad SI de energía básica, el joule (J). La cantidad de calor necesaria para modificar un grado la temperatura de un sistema se llama capacidad calorífica del sistema. Si el sistema es un mol de sustancia, se puede utilizar el término capacidad calorífica molar. Si el sistema es un gramo de sustancia, se utiliza el término de capacidad calorífica específica o más frecuentemente calor 1 cal = 4,184 J Proceso Termodinámico.

Se le conoce como proceso termodinámico al cambio o transformaciones de determinadas magnitudes propiamente termodinámicas en un determinado sistema físico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final.

De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas

...