TERMODINÁMICA GENERAL
Materia: Termodinámica
General, Sesión: 01
Temario
Termodinámica
1) Nociones
de Termodinámica
2) Temperatura
2.1) Nociones Generales
2.2) Temperatura Absolutas
2.3) Temperatura Relativas
3) Fórmulas de conversión de temperatura
4)
Presión
5) Masa
6) Unidades de presión
7) densidad
8) Ley de Pascal
9) Presión atmosférica
10) Vacío
11) Conversión de las unidades de presión
12)
Presión absoluta y presión manométrica
13)
Calor y Trabajo
13,1) Relación entre calor y trabajo
13,2) Máquinas térmicas
13,3) El Calor
13,4) Cantidades de calor
13,5) Unidades de calor
13,6) La ecuación calorimétrica
13,7) Calor específico y capacidad calorífica
13,8) Medida del calor
14) Leyes de la termodinámica
14,1) Principio
cero de la termodinámica
14,2) Primera ley de la termodinámica
14,3) Segunda ley de la termodinámica
14, 3,1) Enunciado de Clausius
14, 3,2) Enunciado de
Kelvin—Planck
14.3.3) Otra interpretación
14,4) Tercera ley de la termodinámica
15) Sistema
15,1) Medio externo
15,2) Equilibrio térmico
15,3) Variables termodinámicas
15,4) Estado de un sistema
16)
Procesos termodinámicos
17)
Rendimiento termodinámico o eficiencia
17.1) Teorema de Carnot
18)
Diagramas termodinámicos
19) Gas
ideal: una descripción microscópica.
20) Primera
ley (Boyle-Mariotte)
21) Segunda
ley (Gay Lussac).
22) Tercera ley (Charles)
23)
Transferencia de Calor
24) Ciclo
de refrigeración
25)
Definiciones de Terminología
Desarrollo
1)
Nociones de Termodinámica
Antes
de entrar a conocer a fondo en el significado de la palabra que ahora nos
ocupa.
Termodinámica, es importante resaltar que el origen etimológico de la misma se
encuentra en el latín. Más concretamente podemos subrayar el hecho de que está
conformada por la unión de tres partes claramente diferenciadas: el vocablo thermos
que viene a definirse como “caliente”, el sustantivo dinamos que es equivalente
a “fuerza” o a “poder”, y el sufijo –ico que puede determinarse que significa
“relativo a”.
Se
identifica con el nombre de Termodinámica a la rama de la física que
hace foco en el estudio de los vínculos existentes entre el calor y las demás
variedades de energía. Analiza, por lo tanto, los efectos que poseen a nivel
macroscópico las modificaciones de temperatura, presión, densidad, masa y
volumen en cada sistema.
Es
importante subrayar que existe una serie de conceptos básicos que es
fundamental conocer previamente a entender cómo es el proceso de la
termodinámica. En este sentido uno de ellos es el que se da en llamar estado de
equilibrio que puede definirse como aquel proceso dinámico que tiene lugar en
un sistema cuando tanto lo que es el volumen como la temperatura y la presión
no cambian.
De la
misma forma está lo que se conoce por el nombre de energía interna del sistema.
Esta se entiende como la suma de lo que son las energías de todas y cada una de
las partículas que conforman aquel. En este caso, es importante subrayar que
dichas energías sólo dependen de lo que es la temperatura.
El
tercer concepto que es fundamental que conozcamos antes de conocer cómo es el
proceso de la termodinámica es el de ecuación de estado. Una terminología con
la que viene a expresarse la relación que existe entre lo que es la presión,
la temperatura y el volumen.
La base
de la termodinámica es todo aquello que tiene relación con el paso de la
energía, un fenómeno capaz de provocar movimiento en diversos cuerpos.
La primera ley de la
termodinámica, que se conoce como el principio de
conservación de la energía, señala que, si un sistema hace un intercambio de
calor con otro, su propia energía interna se transformará.
El calor, en este sentido, constituye la energía que un sistema tiene que
permutar si necesita compensar los contrastes surgidos al comparar el esfuerzo
y la energía interior.
La segunda ley de la
termodinámica supone distintas restricciones para las
transferencias de energía que, en hipótesis, podrían llevarse a cabo si se
tiene en cuenta la primera ley.
El segundo principio sirve como regulador de la dirección en la que se llevan a cabo los
procesos termodinámicos e impone la imposibilidad de que se desarrollen en
sentido opuesto. Cabe destacar que esta segunda ley se respalda en la entropía,
una magnitud física encargada de medir la cantidad energía inservible para
generar trabajo.
La tercera ley contemplada por la termodinámica, por último, destaca que no es posible
lograr una marca térmica que llegue al cero absoluto a través de una cantidad
finita de procedimientos físicos.
Entre los procesos termodinámicos, se destacan:
Los isotérmicos
(no cambia la temperatura), los isócoros (no cambia el volumen), los
isobáricos (no cambia la presión) y los adiabáticos (no hay
transferencia de calor).
2)
Temperatura
La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes
de caliente, tibio o frío que puede ser medida con un termómetro. En física, se
define como una magnitud escalar relacionada con la energía de un sistema
termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica.
Más específicamente,
está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como
«energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las
partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma
de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se
observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es
mayor.
Nociones generales
La temperatura es una propiedad física que se refiere a las
nociones comunes de calor o ausencia de calor, sin embargo su significado
formal en termodinámica es más complejo, a menudo el calor o el frío percibido
por las personas tiene más que ver con la sensación térmica (ver más abajo),
que con la temperatura real. Fundamentalmente, la temperatura es una propiedad
que poseen los sistemas físicos a nivel macroscópico, la cual tiene una causa a
nivel microscópico, que es la energía promedio por la partícula.
La temperatura está íntimamente relacionada con la energía
interna y con la entalpía de un sistema: a mayor temperatura mayor serán la
energía interna y la entalpía del sistema.
La temperatura es una propiedad intensiva, es decir, que no
depende del tamaño del sistema, sino que es una propiedad que le es inherente y
no depende ni de la cantidad de sustancia ni del material del que este
compuesto.
También es posible definir la temperatura en términos de la
segunda ley de la termodinámica, la cual dice que la entropía de todos los
sistemas, o bien permanece igual o bien aumenta con el tiempo, esto se aplica
al Universo entero como sistema termodinámico.
Para dar la definición de temperatura con base en la segunda
ley, habrá que introducir el concepto de máquina térmica la cual es cualquier
dispositivo capaz de transformar calor en trabajo mecánico.
Las escalas de medición de la temperatura se dividen
fundamentalmente en dos tipos, las relativas y las absolutas.
Temperatura Absolutas
Es el valor de la temperatura medida con respecto a una
escala que comienza en el cero absoluto (0 K ó −273,15 °C). Se trata de uno de
los principales parámetros empleados en termodinámica y mecánica estadística.
En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en kelvin, cuyo símbolo es K.1.
Temperatura Relativas:
Unidades derivadas del SI.
Grado Celsius (°C). Para establecer una base de medida de la
temperatura (Anders Celsius utilizó en
1742) los puntos de fusión y ebullición del agua.
Se considera que una mezcla de hielo y agua que se encuentra
en equilibrio con aire saturado a una presión de 1 atm
está en el punto de fusión.
Una mezcla de agua y vapor de agua (sin aire) en equilibrio
a 1 atm de presión se considera que está en el punto de ebullición. Celsius
dividió el intervalo de temperatura que existe entre éstos dos puntos en 100
partes iguales a las que llamó grados centígrados °C. Sin embargo, en 1948
fueron renombrados grados Celsius en su
honor; así mismo se comenzó a utilizar la letra mayúscula “ C “ para
denominarlos
|
Temperaturas de fusión y ebullición del agua a 1
atm de presión atmosférica
|
||
|
Escala
|
Fusión
|
Ebullición
|
|
273,15 K
|
373,15 K
|
|
|
Celsius
|
0 °C
|
100 °C
|
|
32 °F
|
212 °F
|
|
3) Fórmulas de conversión de
temperatura
A veces resulta
necesario convertir una temperatura de una escala a otra. A continuación, se
indican las fórmulas para ello.
Para convertir
grados Celsius en grados Fahrenheit.
Para convertir
grados Fahrenheit en grados Celsius.
Para convertir
grados Celsius en grados Kelvin.
Para convertir grados Kelvin en grados Celsius
Para convertir grados Fahrenheit en grados Rankine.
Para convertir grados Rankine en grados Fahrenheit.
4)
Presión
Presión...La presión es la fuerza
por la superficie. Puede describirse como una medida de la intensidad de fuerza
en un punto dado sobre la superficie de contacto. Puesto que la fuerza se
distribuye de manera uniforme sobre una superficie dada, la presión en
cualquier punto sobre la superficie de contacto es la misma y puede calcularse
dividiendo la fuerza total ejercida por la superficie total en la cual se
aplica dicha fuerza.
Esta relación se expresa por la
ecuación siguiente. (Ver la Fig.),
abrevia Kg / cm2 y en el sistema inglés.
Libras sobre pulgada cuadrada que se Abrevia, en Lb / Plg2.
Un Bloque de hielo (sólido)
ejerce una presión sobre su soporte. El agua (líquido) ejerce una presión sobre
los lados y la parte inferior de su contenedor. El vapor (gas) ejerce una
presión sobre toda la superficie de su contenedor. (Ver la Fig.)
5) Masa
La masa es la cantidad de materia
en una sustancia medida en gramos y kilogramos. Gramo (g). Un centímetro cúbico
(cm3) de agua a la temperatura de mayor densidad tiene una masa de 1 g (Ver la
Fig.).
Tabla SI
|
Sistema
métrico convencional y sistema métrico internacional (SI)
|
Sistema
Yarda / Libra
|
||
|
g
|
kg
|
oz
|
lb
|
|
1
|
0.001
|
0.03527
|
0.002205
|
|
1000
|
1
|
35.27
|
0.0625
|
|
453.6
|
0.4536
|
16
|
1
|
La unidad de medida métrica
convencionales y las unidades métricas S.I. de masa son las mismas
Para convertir de una unidad a otra,
utilice las fórmulas siguientes:
1- Para convertir gramos en kilogramos
Kg = 0.001 x g
2- Para convertir gramos en onzas
Oz = 0.03527 x g
1- Para convertir kilogramos en libras
Lb = 2.205 x kg
Ejemplo: Convierta 200 g en kg
Solución: 200 x0.001= 0.2 kg
Ejemplo Convierta 500 g en oz
Solución: 0.03527 x 500g = 17.635
Ejemplo Convierta 4kg en g
Solución: 4 /0.001 = 4000g
6) Unidades de presión
Las unidades de presión son el kilogramo fuerza por
centímetro cuadrado [kgf/cm2 ] en el sistema métrico convencional, el pascal
[Pa), el kilopascal [kPa] en el sistema métrico S.I. y la libra por pulgada
cuadrada [psi] en el sistema yarda libra.
Kilogramo fuerza por centímetro cuadrado [kgf/cm2]...Un sólido
que pesa 1kgf con una superficie inferior a 1cm2 ejerce una presión de 1kgf/cm2
sobre una superficie plana. [Ver Fig. 1-7 (a)]
Superficie
interior: 1 cm x 1cm =1 cm²
Presión: 1 kgf/1 cm²
= 1 kgf/cm²
Como las unidades de peso, las unidades de presión también
se abrevian: kilogramo fuerza por centímetro cuadrado se abrevia en kilogramo
por centímetro cuadrado, y libra fuerza por pulgada cuadrada se abrevia en
libra por pulgada cuadrada. Sus símbolos también se abrevian: kgf/cm2 en kg/cm2
y lbf/pulg.2 en lb/pulg.2 . En los manómetros generalmente utilizados por los
técnicos de servicio sólo se indica kg/cm2 o lb/pulg. 2. No hay ningún problema
en considerar que kg/cm2 o lb/pulg2 son equivalentes respectivamente a kgf/cm2
o lbf/pulg2.
7)
Densidad
En física y química, la densidad (símbolo ρ) es una magnitud escalar
referida a la cantidad de masa contenida
en un determinado volumen de
una sustancia. La densidad
media es la razón entre la masa
de un cuerpo y el volumen que ocupa.
Si un cuerpo no tiene una
distribución uniforme de la masa en todos sus puntos la densidad alrededor de
un punto puede diferir de la densidad media. Si se considera una sucesión
pequeños volúmenes decrecientes
(convergiendo
hacia un volumen muy pequeño) y estén centrados alrededor de un punto, siendo
la masa
contenida en cada uno de los volúmenes anteriores, la densidad en el punto
común a todos esos volúmenes:
Como ejemplo, un objeto de plomo es más denso que otro de corcho, con
independencia del tamaño y masa.
Cambios de densidad
En general,
la densidad de una sustancia varía cuando cambia la presión o la temperatura, y en los cambios de estado.
·
Cuando aumenta la presión, la densidad de
cualquier material estable también aumenta.
·
Como regla general, al aumentar la
temperatura, la densidad disminuye (si la presión permanece constante). Sin
embargo, existen notables excepciones a esta regla. Por ejemplo, la densidad
del agua crece entre el punto de
fusión (a 0 °C) y los 4 °C;
algo similar ocurre con el silicio a bajas temperaturas.]
El efecto de
la temperatura y la presión en los sólidos y líquidos es muy pequeño, por lo
que típicamente la compresibilidad de un
líquido o sólido es de 10–6 bar–1 (1 bar=0,1 MPa)
y el coeficiente de dilatación térmica
es de 10–5 K–1.
Por otro
lado, la densidad de los gases es fuertemente afectada por la presión y la
temperatura. La ley de los gases ideales describe
matemáticamente la relación entre estas tres magnitudes:
donde
es la constante
universal de los gases ideales,
es la presión
del gas,
su masa molar y
la temperatura absoluta.
Eso
significa que un gas ideal a 300 K (27 °C) y 1 atm duplicará
su densidad si se aumenta la presión a 2 atm manteniendo la temperatura
constante o, alternativamente, se reduce su temperatura a 150 K manteniendo
la presión constante.
8)
Ley de Pascal
Ley de Pascal...La
presión aplicada sobre un fluido encerrado se transmite de forma igual en todas
las direcciones.
La Fig. 1-9 ilustra la ley de Pascal. Muestra un cilindro
lleno de fluido con diferentes formas de cámaras.
Se instala un pistón en un cilindro pequeño que se conecta a
un cilindro mayor. Se aplica una fuerza al pistón en el cilindro más pequeño.
Los manómetros de presión indican que la presión se transmite igualmente en
todas las direcciones y cámaras sin que importen el tamaño y la forma de las
cámaras.
9)
Presión atmosférica
Presión atmosférica en
relación al medio ambiente:
El aire atmosférico ejerce sobre
toda pared sólida en la que se encuentra sumergido una presión perpendicular,
que se denomina presión atmosférica, cuyo valor es aproximadamente de un
kilogramo por centímetro cuadrado.
La presión atmosférica es la que
ejerce la atmósfera sobre todos los objetos que se hallan en contacto con ella
y que no es sino la manifestación del peso del aire.
Una columna de aire cuya base
mida 1 cm ²y cuya altura sea la de la atmósfera, pesa 1003 g y equilibra el
peso de la columna de mercurio de igual diámetro y de 76 cm de altura o una de
agua de 10, 33 m, equivalentes a 1013 milibares. Dichos valores se refieren a
la presión a nivel del mar, ya que, como la densidad del aire disminuye
rápidamente con la altura, también experimenta un rápido descenso la presión,
pues más de la mitad de todo el aire atmosférico se halla concentrado en los 5,
000 primeros metros y 96% del mismo en los primeros 20, 000 m. De ahí la
necesidad de comprimir el aire en las cabinas de los aviones y la imposibilidad
para los mismos de sustentarse y de hallar en la alta atmósfera el oxígeno
necesario para el funcionamiento de los motores de combustión aerobia. Pero los
cohetes, que no se apoyan con los planos sustentadores y que llevan su propia
reserva de comburente, se mueven y funcionan en las atmósferas más enrarecidas e
incluso en el vacío.
La presión atmosférica al nivel
del mar se halla sujeta a variaciones provocadas por os movimientos de las
masas de aire, dado que un aire frío es más denso que un aire caliente. Estos
cambios provocan perturbaciones del tiempo.
Se dice que la atmósfera material
rodea a las personas y a las cosas. Y por extensión., la atmósfera moral y el
conjunto de factores que contribuyen a crear una situación o estado particular
alrededor de una persona.
Presión
atmosférica...La Tierra está rodeada de una envoltura de atmósfera o aire.
El aire tiene un peso y ejerce una presión sobre la superficie de la tierra. La
presión ejercida por la atmósfera se denomina presión atmosférica.
El peso de una columna de aire que tiene una base de 1
centímetro cuadrado y que se extiende desde la superficie de la tierra a nivel
del mar hasta los límites superiores de la atmósfera es de 1,033kgf (14,70lbf).
Por lo tanto, la presión sobre la superficie de la tierra a nivel del mar que
resulta del peso de la atmósfera es de 1,033kgf/cm2 (14,70lbf/cm2)
Ver Fig.
La presión atmosférica se expresa de diferentes formas:
Presión atmosférica
= 1,033kgf/cm2 = 1atm = 760mmHg = 101,3kPa = 14,70lbf/pulg2 (psi)
= 29,92 pulg Hg
10)
Vacío
Vacío...Las presiones inferiores a la presión
atmosférica se llaman vacías.
Vacío absoluto...Una presión que ya no puede reducirse
más se llama vacío absoluto.
Vacío imperfecto...Una presión inferior a la presión atmosférica,
sin ser un vacío absoluto, se llama vacío imperfecto.
El vacío absoluto
se expresa de diferentes formas, tal como se indica a continuación.
Vacío absoluto = 0
kgf/cm2 = 0 mmHg = 0 Pa = 0 psi = 0 pulg.Hg
Ver Fig.
Conversión
de las unidades de presión
La Tabla indica las
relaciones entre kgf/cm2, kPa, psi y otras unidades.
Tabla
Para convertir de una unidad a otra, utilice las fórmulas
siguientes
Para convertir kgf/cm 2 en atm Si tengo 20 kgf/cm2, cuanta atm
tengo
Para convertir kgf/cm2 en mmHg Convierta 1,5kgf/cm2 en mmHg
Para convertir kgf/cm 2en kPa Convierta 12kgf/cm2 en kPa
Para convertir kgf/cm2 en psi Convierta 20kgf/cm 2 en psi
Para convertir kPa en psi Convierta 150kPa en psi
11)
Presión
absoluta y presión manométrica
Presión manométrica...La presión manométrica es la presión
indicada por el manómetro. Es importante entender que los manómetros están calibrados
para una lectura cero de la presión atmosférica. Los manómetros sólo miden la diferencia
de presión entre la presión total del fluido en el recipiente y la presión
atmosférica. Las presiones manométricas se expresan en “kgf/cm 2 G” o “psig”.
Presión absoluta...La
presión absoluta es la presión “total” o la presión “verdadera” de un fluido.
Cuando la presión de un fluido es superior a la presión atmosférica, la presión
absoluta se determina añadiendo la presión atmosférica a la presión
manométrica. Cuando la presión del fluido es inferior a la presión atmosférica,
la presión absoluta se determina restando la presión manométrica de la presión
atmosférica.
Las presiones absolutas se expresan en “kgf/cm 2 abs” o
“psia”. Ver fig.
Ejemplo: Un manómetro de presión indica 18kgf/cm2. ¿Cuál es
la presión absoluta en este caso?
Solución: La presión absoluta = 18 + 1,03 = 19,03 kgf/cm2
Ejemplo: Un manómetro compuesto instalado en el tubo de
aspiración indica 200mmHg. ¿Cuál es la presión absoluta?
Solución: Presión absoluta = 760 –200 = 560mmHg
12)
Calor y
Trabajo
13,1) Relación entre calor y trabajo
Si calor y trabajo son ambos formas de energía en
tránsito de un cuerpo o sistemas a otros, deben estar relacionadas entre sí.
La comprobación de este tipo de relación fue uno de
los objetivos experimentales perseguidos con insistencia por el físico inglés
James Prescott Joule (1818-1889). Aun cuando efectuó diferentes experimentos en
busca de dicha relación, el más conocido consistió en determinar el calor
producido dentro de un calorímetro a consecuencia del rozamiento con el agua
del calorímetro de un sistema de paletas giratorias y compararlo posteriormente
con el trabajo necesario para moverlas.
La energía mecánica puesta en juego era controlada
en el experimento de Joule haciendo caer unas pesas cuya energía potencial
inicial podía calcularse fácilmente de modo que el trabajo W, como variación de
la energía mecánica, vendría dado por:
W = Δ Ep = m.g.h
Siendo m la masa de las pesas, h la
altura desde la que caen y g la aceleración de la gravedad.
Por su parte, el calor liberado por la agitación del
agua que producían las aspas en movimiento daba lugar a un aumento de la
temperatura del calorímetro y la aplicación de la ecuación calorimétrica:
Q = m c (Tf- Ti)
Permitía determinar el valor de Q y compararlo con
el de W. Tras una serie de experiencias en las que mejoró progresivamente sus
resultados, llegó a encontrar que el trabajo realizado sobre el sistema y el
calor liberado en el calorímetro guardaban siempre una relación constante y
aproximadamente igual a 4,2. Es decir, por cada 4,2 joules de trabajo realizado
se le comunicaba al calorímetro una cantidad de calor igual a una caloría.
Ese valor
denominado equivalente mecánico del calor se conoce hoy con más precisión y es
considerado como 4,184 joules/calorías. La relación numérica entre calor Q y
trabajo W puede, entonces, escribirse en la forma:
W (joules) = 4,18.Q (calorías)
La consolidación de la noción de calor como una
forma más de energía, hizo del equivalente mecánico un simple factor de
conversión entre unidades diferentes de una misma magnitud física, la energía;
algo parecido al número que permite convertir una longitud expresada en
pulgadas en la misma longitud expresada en centímetros.
13,2) Máquinas térmicas
Junto a la conversión de trabajo en calor puesta de
manifiesto en las experiencias de Joule, la transformación efectuada en sentido
inverso es físicamente realizable. Los motores de explosión que mueven, en
general, los vehículos automóviles y la máquina de vapor de las antiguas
locomotoras de carbón, son dispositivos capaces de llevar a cabo la
transformación del calor en trabajo mecánico. Este tipo de dispositivos reciben
el nombre genérico de máquinas térmicas.
En todas las máquinas térmicas el sistema absorbe calor de
un foco caliente; parte de él lo transforma en trabajo y el resto lo cede al
medio exterior que se encuentra a menor temperatura. Este hecho constituye una
regla general de toda máquina térmica y da lugar a la definición de un
parámetro característico de cada máquina que se denomina rendimiento y se define
como el cociente entre el trabajo efectuado y el calor empleado para
conseguirlo. Expresado en tantos por ciento toma la forma:
η (%) = W.100/Q
Ninguna máquina térmica alcanza un rendimiento del cien por
cien. Esta limitación no es de tipo técnico, de modo que no podrá ser eliminada
cuando el desarrollo tecnológico alcance un nivel superior al actual; se trata,
sin embargo, de una ley general de la naturaleza que imposibilita la
transformación íntegra de calor en trabajo. Por tal motivo las transformaciones
energéticas que terminan en calor suponen una degradación de la energía, toda
vez que la total reconversión del calor en trabajo útil no está permitida por
las leyes naturales.
Ejemplo de la relación calor-trabajo: En una experiencia
como la de Joule se ha utilizado un peso de 10 kg que se ha elevado a una
altura de 2 m. Si el calorímetro completo incluyendo las aspas equivale a una
masa de agua de 1,5 kg y la temperatura inicial es de 15 °C, determínese la
temperatura final que alcanzará el agua, admitiendo que todo el trabajo
mecánico se convierte en calor dentro del calorímetro. (Considérese el calor
específico del agua c = 4,18.10³ J/kg.K). De acuerdo con el principio de
conservación de la energía, el trabajo mecánico se convierte íntegramente en calor:
W = Q
Siendo en este caso W = m g h y Q = m´ ce*(Tf - Ti).
Igualando ambas expresiones y despejando Tf se tiene:
m g h = m´
ce*(Tf - Ti)
Tf = (m*g*h
+ m´*ce*Ti)/m´*ce
y sustituyendo resulta finalmente:
Tf (K) = [10 g * 9,8 m/s ² * 2 m + 1,5 g x 4,18*10³ (cal/g *
°C)*(15 K + 273 K)]/1,5 g x*4,18*10³ (cal/g * °C)
Tf (K) =
Es decir:
Tf (°C) = 288 - 273 = 15 °C
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13,3) El Calor
El calor es la transferencia de energía de
una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una
diferencia de nivel energético. El calor es energía en tránsito; siempre fluye
de una zona de mayor nivel energético a una zona de menor nivel energético, con
lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre
que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde
un objeto de nivel energético bajo a un objeto de nivel energético alto si no
se realiza trabajo.
13,4) Cantidades de calor
Aun cuando no sea posible determinar el contenido
total de energía calorífica de un cuerpo, puede medirse la cantidad que se toma
o se cede al ponerlo en contacto con otro a diferente temperatura. Esta
cantidad de energía en tránsito de los cuerpos de mayor temperatura a los de
menor temperatura es precisamente lo que se entiende en física por calor.
El calor, igual que el trabajo, corresponde a
energía en tránsito (proceso de intercambio de energía), el calor es una
transferencia de energía y puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el
trabajo. La energía mecánica puede convertirse en calor a través del
rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce
como equivalente mecánico del calor. Según la ley de conservación de la
energía, todo el trabajo mecánico realizado para producir calor por rozamiento
aparece en forma de energía en los objetos sobre los que se realiza el trabajo.
James Prescott Joule fue el primero en demostrarlo de forma fehaciente en un
experimento clásico: calentó agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas
ruedas de paletas y halló que el aumento de nivel energético del agua era
proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas.
Cuando el calor se convierte en energía
mecánica, como en un motor de combustión interna, la ley de conservación de la
energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energía en
forma de calor porque ningún motor tiene una eficiencia perfecta.
Calorímetro
Ciencia que mide la cantidad de energía generada en
procesos de intercambio de calor. El calorímetro es el instrumento que mide
dicha energía. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un
envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y
un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el
agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de nivel energético se comprueba
con el termómetro.
Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro
(que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la
cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de
calor es un objeto caliente de nivel energético conocida, el calor específico y
el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor
latente, que no está relacionado con un cambio de nivel energético, es la
energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un
estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa.
Cuando la fuente de calor es una reacción química,
como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un
envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro
y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica.
Ley fundamental de la calorimetría
Un sistema aislado compuesto por n cuerpos, a
diferentes temperaturas, evoluciona espontáneamente hacia un estado de
equilibrio en el que todos los cuerpos tienen la misma temperatura. Los calores
intercambiados sumados con sus signos dan cero:
Σ Qi = 0
13,5) Unidades de calor
En físicas, la cantidad de calor se expresa en las
mismas unidades que la energía y el trabajo, es decir, en joules (J).
La caloría es otra unidad que sirve para medir las
cantidades de calor. La caloría pequeña, o caloría-gramo (cal), suele definirse
en ciencia e ingeniería como la cantidad de calor necesaria para elevar la
temperatura de 1 gramo de agua de 14,5 a 15,5 °C. A veces se especifica otro
intervalo de temperaturas.
1 cal = 4,1840 J
En ingeniería se emplea una caloría algo diferente,
la caloría internacional, que equivale a 1/860 watt .hora:
1 kcal = 4,1868 J
Una caloría grande o kilocaloría (Cal), muchas veces
denominada también caloría, es igual a 1.000 calorías-gramo,y se emplea en
dietética para indicar el valor energético de los alimentos.
13,6) La ecuación calorimétrica
La experiencia pone de manifiesto que la cantidad de
calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y
al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta. La expresión
matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica.
Q = ce*m*(Tf - Ti) (8.6)
Donde Q representa el calor cedido o absorbido, la
masa del cuerpo y Tf y Ti las temperaturas final e inicial respectivamente. Q
será positivo si la temperatura final es mayor que la inicial (Tf> Ti) y
negativo en el caso contrario (Tf< Ti). La letra c representa la constante
de proporcionalidad correspondiente y su valor es característico del tipo de
sustancia que constituye el cuerpo en cuestión. Dicha constante se denomina
calor específico. Su significado puede deducirse de la ecuación (8.6). Si se
despeja c, de ella resulta:
ce = Q/ m*(Tf - Ti)
El calor específico de una sustancia equivale, por
tanto, a una cantidad de calor por unidad de masa y de temperatura; o en otros
términos, es el calor que debe suministrarse a la unidad de masa de una
sustancia dada para elevar su temperatura un grado.
Unidades de calor
La ecuación calorimétrica (8.6) sirve para
determinar cantidades de calor si se conoce la masa del cuerpo, su calor
específico y la diferencia de temperatura, pero además permite definir la
caloría como unidad de calor. Si por convenio se toma el agua líquida como
sustancia de referencia asignando a su calor específico un valor unidad, la caloría
resulta de hacer uno el resto de las variables que intervienen en dicha
ecuación.
Una caloría es la cantidad de calor necesaria para
elevar en un grado centígrado (1 °C) la temperatura de un gramo de agua. Esta
definición, que tiene su origen en la época en la que la teoría del calórico
estaba en plena vigencia, se puede hacer más precisa si se considera el hecho
de que el calor específico del agua varía con la temperatura. En tal caso la
elevación de un grado centígrado a la que hace referencia la anterior
definición ha de producirse entre 14,5 y 15,5 °C a la presión atmosférica.
Una vez identificado el calor como una forma de
energía y no como un fluido singular, la distinción entre unidades de calor y
unidades de energía perdió significado. Así, la unidad de calor en el SI
coincide con la de energía y es el joule (J), habiendo quedado la caloría
reducida a una unidad práctica que se ha mantenido por razones históricas, pero
que va siendo progresivamente desplazada por el joule.
13,7) Calor específico y capacidad calorífica
La ecuación calorimétrica puede escribirse
también en la forma:
Q = C*(Tf - Ti) (8.7)
Expresando así que en un cuerpo dado la
cantidad de calor cedido o absorbido es directamente proporcional a la
variación de temperatura. La nueva constante de proporcionalidad C recibe el
nombre de capacidad calorífica
C = Q/(T Tf - Ti)
Y representa la cantidad de calor que cede o
toma el cuerpo al variar su temperatura en un grado. A diferencia del calor
específico, la capacidad calorífica es una característica de cada cuerpo y se
expresa en el SI en J/K. Su relación con el calor específico resulta de
comparar las ecuaciones (8.6) y (8.7) en las que ambas magnitudes están
presentes:
C = m*ce (8.8)
De acuerdo con esta relación, la capacidad
calorífica de un cuerpo depende de su masa y de la naturaleza de la sustancia
que lo compone.
Ejemplo de la determinación del calor
específico:
El
calor específico de un cuerpo puede determinarse mediante el calorímetro. Dado
que éste es un atributo físico característico de cada sustancia, la comparación
del valor obtenido con los de una tabla estándar de calores específicos puede
ayudar a la identificación de la sustancia que compone el cuerpo en cuestión.
Se pretende identificar el metal del que está
formada una medalla. Para ello se determina su masa mediante una balanza que
arroja el valor de 25 g. A continuación se calienta al « baño María »,hasta
alcanzar una temperatura de 85 °C y se introduce en el interior de un
calorímetro que contiene 50 g de agua a 16,5 °C de temperatura. Al cabo de un
cierto tiempo y tras utilizar varias veces el agitador, la columna del
termómetro del calorímetro deja de subir señalando una temperatura de
equilibrio de 19,5 °C. ¿De qué metal puede tratarse?
Si se aplica la ecuación de conservación de la
energía expresada en la forma, calor tomado = - calor cedido, resulta:
Q1
= - Q2
m1*ce1*(T
- T1) = - m2*ce2*(T - T2)
Considerando en este caso el subíndice 1
referido al agua y el 2 referido a la moneda. Sustituyendo valores en la
ecuación anterior, se, tiene:
50 g*1 (cal/g*°C)*(19,5 °C - 16,5 °C) = - 25 g*
ce2*(19,5 °C - 85 °C)
Operando y despejando ce2 resulta:
150 (cal/g*°C) = 1 637,5* ce2
ce2 = 0,09 cal/g*°C
Si se compara el resultado con una tabla de
calores específicos de metales, se concluye que puede tratarse de cobre. Otras
propiedades físicas como el color, por ejemplo, confirmarán el resultado.
Medida del calor
De acuerdo con el principio de conservación de
la energía, suponiendo que no existen pérdidas, cuando dos cuerpos a diferentes
temperaturas se ponen en contacto, el calor tomado por uno de ellos ha de ser
igual en cantidad al calor cedido por el otro. Para todo proceso de
transferencia calorífica que se realice entre dos cuerpos puede escribirse
entonces la ecuación:
Q1 = - Q2
En donde el signo - indica que en un cuerpo el
calor se cede, mientras que en el otro se toma. Recurriendo a la ecuación
calorimétrica, la igualdad anterior puede escribirse en la forma:
m1*ce1*(Te - T1) = - m2*ce2*(Te- T2) (8.9)
Donde el subíndice 1 hace referencia al cuerpo
frío y el subíndice 2 al caliente. La temperatura Te en el equilibrio será
superior a T1 e inferior a T2. La anterior ecuación indica que si se conocen
los valores del calor específico, midiendo temperaturas y masas, es posible
determinar cantidades de calor. El aparato que se utiliza para ello se denomina
calorímetro. Un calorímetro ordinario consta de un recipiente de vidrio aislado
térmicamente del exterior por un material apropiado. Una tapa cierra el
conjunto y dos pequeños orificios realizados sobre ella dan paso al termómetro
y al agitador, los
13,8) Medida del calor
De acuerdo con el principio de conservación de
la energía, suponiendo que no existen pérdidas, cuando dos cuerpos a diferentes
temperaturas se ponen en contacto, el calor tomado por uno de ellos ha de ser
igual en cantidad al calor cedido por el otro. Para todo proceso de
transferencia calorífica que se realice entre dos cuerpos puede escribirse
entonces la ecuación:
Q1 = - Q2
En donde el signo - indica que en un cuerpo el
calor se cede, mientras que en el otro se toma. Recurriendo a la ecuación
calorimétrica, la igualdad anterior puede escribirse en la forma:
m1*ce1*(Te - T1) = - m2*ce2*(Te- T2) (8.9)
Donde el subíndice 1 hace referencia al cuerpo
frío y el subíndice 2 al caliente. La temperatura Te en el equilibrio será
superior a T1 e inferior a T2. La anterior ecuación indica que si se conocen
los valores del calor específico, midiendo temperaturas y masas, es posible
determinar cantidades de calor. El aparato que se utiliza para ello se denomina
calorímetro. Un calorímetro ordinario consta de un recipiente de vidrio aislado
térmicamente del exterior por un material apropiado. Una tapa cierra el
conjunto y dos pequeños orificios realizados sobre ella dan paso al termómetro
y al agitador.
14) Leyes
de la termodinámica
14,1) Principio
cero de la termodinámica
Este principio o ley cero, establece que existe una
determinada propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para
todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio
mutuo con uno dado.
En palabras llanas: «Si pones en contacto un objeto frío con
otro caliente, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan».
Tiene una gran importancia experimental «pues permite
construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema» pero no resulta
tan importante en el marco teórico de la termodinámica.
El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la
condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o
dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico,
polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas
en el plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parámetro
cinético, asociado a nivel microscópico; el cual a su vez esta dentro de lo
físico química y no es parámetro debido a que a la termodinámica solo le
interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final. A dichas variables
empíricas (experimentales) de un sistema se las conoce como coordenadas
térmicas y dinámicas del sistema.
Este principio fundamental, aún siendo ampliamente aceptado,
no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres
leyes. De ahí que recibiese el nombre de principio cero.
14,2) Primera ley de la termodinámica
También conocida como principio de
conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza
trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía
interna del sistema cambiará.
En palabras llanas: "La energía ni se
crea ni se destruye: solo se transforma".
Visto de otra forma, esta ley permite definir
el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para
compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por
Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia
motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia,
en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta obra fue
incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por
Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las
bases de la termodinámica.
La ecuación general de la conservación de la
energía es la siguiente:
Que aplicada a la termodinámica teniendo en
cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:
Donde
U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor
aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.
Esta última expresión es igual de frecuente
encontrarla en la forma ∆U = Q + W. Ambas expresiones, aparentemente
contradictorias, son correctas y su diferencia está en que se aplique el
convenio de signos IUPAC o el Tradicional (véase criterio de signos
termodinámico).
14,3) Segunda ley de la termodinámica
Ilustración
de la segunda ley mediante una máquina térmica
Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse
a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que
ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta
dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen).
También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir
completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma,
la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que
hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el primer
principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una
magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado
(que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la
entropía siempre debe ser mayor que cero.
Debido a esta ley también se tiene que el flujo
espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor
temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.
La aplicación más conocida es la de las máquinas
térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente
o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero
frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo
mecánico obtenido.
Existen numerosos enunciados equivalentes
para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin
14.3.1) Enunciado de Clausius
Diagrama
del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.
En palabras de Sears es: «No es posible
ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente
a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un
recipiente a temperatura más elevada».
14.3.2) Enunciado de Kelvin—Planck
Es imposible construir una máquina térmica
que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía
desde un depósito, y la realización de una cantidad igual de trabajo.
14.3.3)
Otra interpretación
Es imposible construir una máquina térmica
cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica
del ambiente. Debido a esto podemos concluir, que el rendimiento energético de
una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo, siempre será menor
a la unidad, y ésta estará más próxima a la unidad, cuanto mayor sea el
rendimiento energético de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento
energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y
viceversa.
14,4)
Tercera ley de la termodinámica
La tercera de las leyes de la termodinámica,
propuesta por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura
igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede
formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero
absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de
los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales
al cero absoluto. No es una noción exigida por la termodinámica clásica, así
que es probablemente inapropiado tratarlo de «ley».
Es importante remarcar que los principios o
leyes de la termodinámica son válidas siempre para los sistemas macroscópicos,
pero inaplicables a nivel microscópico. La idea del demonio de Maxwell ayuda a
comprender los límites de la segunda ley de la termodinámica jugando con las
propiedades microscópicas de las partículas que componen un gas.
15) Sistema
Se puede definir un sistema como un conjunto
de materia, que está limitado por una superficie, que le pone el observador,
real o imaginaria. Si en el sistema no entra ni sale materia, se dice que se
trata de un sistema cerrado, o sistema aislado si no hay intercambio de materia
y energía, dependiendo del caso. En la naturaleza, encontrar un sistema
estrictamente aislado es, por lo que sabemos, imposible, pero podemos hacer
aproximaciones. Un sistema del que sale y/o entra materia, recibe el nombre de
abierto. Ponemos unos ejemplos:
• Un
sistema abierto: se da cuando existe un intercambio de masa y de energía con
los alrededores; es por ejemplo, un coche. Le echamos combustible y él
desprende diferentes gases y calor.
• Un
sistema cerrado: se da cuando no existe un intercambio de masa con el medio
circundante, sólo se puede dar un intercambio de energía; un reloj de cuerda,
no introducimos ni sacamos materia de él. Solo precisa un aporte de energía que
emplea para medir el tiempo.
• Un
sistema aislado: se da cuando no existe el intercambio ni de masa y energía con
los alrededores; ¿Cómo encontrarlo si no podemos interactuar con él? Sin
embargo un termo lleno de comida caliente es una aproximación, ya que el envase
no permite el intercambio de materia e intenta impedir que la energía (calor)
salga de él. El universo es un sistema aislado, ya que la variación de energía
es cero
15,1) Medio externo
Se llama medio externo o ambiente a todo
aquello que no está en el sistema pero que puede influir en él. Por ejemplo,
consideremos una taza con agua, que está siendo calentada por un mechero.
Consideremos un sistema formado por la taza y el agua, entonces el medio está
formado por el mechero, el aire, etc.
15,2)
Equilibrio térmico
Toda sustancia por encima de los 0 kelvin
(-273,15 °C) emite calor. Si dos sustancias en contacto se encuentran a
diferente temperatura, una de ellas emitirá más calor y calentará a la más
fría. El equilibrio térmico se alcanza cuando ambas emiten, y reciben la misma
cantidad de calor, lo que iguala su temperatura.
Un estado en el cual dos coordenadas
termodinámicas independientes X e Y permanecen constantes mientras no se
modifican las condiciones externas se dice que se encuentra en equilibrio
térmico. Si dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico se dice que tienen
la misma temperatura. Entonces se puede definir la temperatura como una
propiedad que permite determinar si un sistema se encuentra o no en equilibrio
térmico con otro sistema.
El equilibrio térmico se presenta cuando dos
cuerpos con temperaturas diferentes se ponen en contacto, y el que tiene mayor
temperatura cede energía térmica en forma de calor al que tiene más baja, hasta
que ambos alcanzan la misma temperatura.
Algunas definiciones útiles en termodinámica
son las siguientes.
•Nota:
estrictamente sería la misma cantidad de calor por gramo, ya que una mayor
cantidad de sustancia emite más calor a la misma temperatura.
15,3)
Variables termodinámicas
Las variables que tienen relación con el
estado interno de un sistema, se llaman variables termodinámicas o coordenadas
termodinámicas, y entre ellas las más importantes en el estudio de la
termodinámica son:
• La
masa
• El
volumen
• La
densidad
• La
presión
• La
temperatura
En termodinámica es muy importante estudiar
sus propiedades, las cuáles podemos dividirlas en dos:
• Propiedades
intensivas: son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del
tamaño de un sistema, por lo que su valor permanece inalterado al subdividir el
sistema inicial en varios subsistemas, por este motivo no son propiedades aditivas.
• Propiedades
extensivas: son las que dependen de la cantidad de sustancia del sistema, y son
recíprocamente equivalentes a las intensivas. Una propiedad extensiva depende
por tanto del «tamaño» del sistema. Una propiedad extensiva tiene la propiedad
de ser aditiva en el sentido de que si se divide el sistema en dos o más
partes, el valor de la magnitud extensiva para el sistema completo es la suma
de los valores de dicha magnitud para cada una de las partes.
Algunos ejemplos de propiedades extensivas
son la masa, el volumen, el peso, cantidad de sustancia, energía, entropía,
entalpía, etc. En general el cociente entre dos magnitudes extensivas nos da
una magnitud intensiva, por ejemplo la división entre masa y volumen nos da la
densidad.
15,4)
Estado de un sistema
Un sistema que puede describirse en función
de coordenadas termodinámicas se llama sistema termodinámico y la situación en
la que se encuentra definido por dichas coordenadas se llama estado del
sistema.
Foco
térmico
Un foco térmico es un sistema que puede
entregar y/o recibir calor, pero sin cambiar su temperatura.
Contacto
térmico
Se dice que dos sistemas están en contacto
térmico cuando puede haber transferencia de calor de un sistema a otro.
16)
Procesos termodinámicos
Se dice que un sistema pasa por un proceso
termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al menos una de las
coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son:
• Procesos
isotérmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia.
• Procesos
isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varía.
• Procesos
isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante.
• Procesos
adiabáticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.
• Procesos
diatérmicos: son procesos que dejan pasar el calor fácilmente.
• Procesos
isoentrópicos: procesos adiabáticos y reversibles. Procesos en los que la
entropía no varía.
Por ejemplo, dentro de un termo donde se
colocan agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso adiabático, ya que el
agua caliente se empezará a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo
se empezará a derretir hasta que ambos estén en equilibrio térmico, sin embargo
no hubo transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se
trata de un proceso adiabático.
17)
Rendimiento termodinámico o eficiencia
Artículo principal: Rendimiento térmico.
Un concepto importante en la ingeniería
térmica es el de rendimiento. El rendimiento de una máquina térmica se define
como:
Donde, dependiendo del tipo de máquina
térmica, estas energías serán el calor o el trabajo que se transfieran en
determinados subsistemas de la máquina.
17.1)
Teorema de Carnot
Nicolás Leonard Sadi Carnot en 1824 demostró
que el rendimiento de alguna máquina térmica que tuviese la máxima eficiencia
posible (a las que en la actualidad se denotan con su nombre) y que operase
entre dos termostatos (focos con temperatura constante), dependería sólo de las
temperaturas de dichos focos. Por ejemplo, el rendimiento para un motor térmico
de Carnot viene dado por:
donde
y
son las temperaturas
del termostato caliente y del termostato frío, respectivamente, medidas en
Kelvin.
Este rendimiento máximo es el correspondiente
al de una máquina térmica reversible, la cual es sólo una idealización, por lo
que cualquier máquina térmica construida tendrá un rendimiento menor que el de
una máquina reversible operando entre los mismos focos.
18) Diagramas termodinámicos
La línea de puntos muestra el comportamiento
anómalo del agua. La línea verde marca el punto de congelación y la línea azul,
el punto de ebullición. Se muestra cómo varían con la presión.
En termodinámica y ciencia de materiales se
denomina diagrama de fase, diagrama de equilibrio de fases o diagrama de estados
de la materia, a la representación gráfica de las fronteras entre diferentes
estados de la materia de un sistema, en función de variables elegidas para
facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas
las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar
diagrama de cambio de estado.
Los diagramas de equilibrio son gráficas que
representan las fases y estado en que pueden estar diferentes concentraciones
de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas. Dichas
temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material está en
fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales
están en estado sólido.
19) Gas ideal: una descripción microscópica.
Desde el punto de vista microscópico, definimos a un gas
ideal haciendo las siguientes suposiciones, con lo que nuestra tarea será la de
aplicar las leyes de la mecánica clásica, estadísticamente, a los átomos del
gas y demostrar que nuestra definición microscópica es consecuente con la
definición macroscópica de la sección procedente:
1.- Un gas está formado por partículas llamadas moléculas.
Dependiendo del gas, cada molécula está formada por un
átomo o un grupo de átomos. Si el gas es un elemento o un compuesto en su
estado estable, consideramos que todas sus moléculas son idénticas.
2.- Las moléculas se encuentran animadas de movimiento
aleatorio y obedecen las leyes de Newton del movimiento.
Las moléculas se mueven en todas direcciones y a
velocidades diferentes. Al calcular las propiedades del movimiento suponemos
que la mecánica newtoniana se puede aplicar en el nivel microscópico. Como para
todas nuestras suposiciones, esta mantendrá o desechara, dependiendo de si los
hechos experimentales indican o no que nuestras predicciones son correctas.
3.- El número total de moléculas es grande.
La dirección y la rapidez del movimiento de cualquiera de
las moléculas pueden cambiar bruscamente en los choques con las paredes o con
otras moléculas. Cualquiera de las moléculas en particular, seguirá una
trayectoria de zigzag, debido a dichos choques. Sin embargo, como hay muchas
moléculas, suponemos que el gran número de choques resultante mantiene una
distribución total de las velocidades moleculares con un movimiento promedio
aleatorio.
4.- El volumen de las moléculas es una fracción
despreciablemente pequeña del volumen ocupado por el gas.
Aunque hay muchas
moléculas, son extremadamente pequeñas. Sabemos que el volumen ocupado por una
gas se puede cambiar en un margen muy amplio, con poca dificultad y que, cuando
un gas se condensa, el volumen ocupado por el líquido puede ser miles de veces
menor que la del gas se condensa, el volumen ocupado por el líquido puede ser
miles de veces menor que el del gas. De aquí que nuestra suposición es posible.
5.- No actúan fuerzas apreciables sobre las moléculas,
excepto durante los choques.
En el grado de que
esto sea cierto, una molécula se moverá con velocidad uniforme entre los
choques. Como hemos supuesto que las moléculas son tan pequeñas, la distancia
media entre ellas es grande en comparación con el tamaño de una de las
moléculas. De aquí que suponemos que el alcance de las fuerzas moleculares es
comparable al tamaño molecular.
6.- Los choques son elásticos y de duración despreciable.
En las choques entre las moléculas con las paredes del
recipiente se conserva el ímpetu y (suponemos)la energía cinética. Debido a que
el tiempo de choque es despreciable comparado con el tiempo que transcurre
entre los choque de moléculas, la energía cinética que se convierte en energía
potencial durante el choque, queda disponible de nuevo como energía cinética, después
de un tiempo tan corto, que podemos ignorar este cambio por completo.
Leyes de los gases:
Todas las masas gaseosas experimentan variaciones de
presión, volumen y temperatura que se rigen por las siguientes leyes:
20) Primera ley
(Boyle-Mariotte)
Los volúmenes ocupados por una misma masa gaseosa
conservándose su temperatura constante, son inversamente proporcionales a la
presión que soporta.
|
Formula
|
interpretación
|
|
V.P
= V´.P´
|
V
= volumen inicial
V’ = volumen final P = presión inicial P´ = Presión final |
21) Segunda ley (Gay Lussac).
Cuando se calienta un gas, el volumen aumenta 1/273 parte de
su valor primitivo, siempre que la presión no varíe. Temperatura y volumen son
directamente proporcionales.
|
Formula
|
interpretación
|
|
V.T´
= V´.T
|
V
= volumen inicial
V´ = volumen final T = temperatura inicial T´ = temperatura final |
La presión ejercida por una masa gaseosa es directamente
proporcional a su temperatura absoluta, siempre que el volumen sea constante.
|
Formula
|
interpretación
|
|
P.T´
= P´.T
|
P
= presión inicial
P´ = presión final T = temperatura inicial T´ = temperatura final |
Ecuación general del estado gaseoso.
En una masa gaseosa los
volúmenes y las presiones son directamente proporcionales a sus temperaturas
absolutas e inversamente proporcionales entre sí.
|
|
Formula
|
Interpretación
|
|
Despejando
presión
|
P.V.T´
= P´.V´.T (a)
P.V/T = P´.V´/T´ (b) P = P´.V´.T / V.T´ (c) P´ = P.V.T´/ V´.T (d) |
P
= presión inicial
P´ = presión final V = volumen final V´ = volumen final T´ = temperatura final T = temperatura final |
23) TRANSFERENCIA DE CALOR
En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor
entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están
en distinto nivel energético. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción.
Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede
ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.
La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que
intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en
contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del
movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura
diferente.
Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa
fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un
quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe
calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
1) Conducción
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la
conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que
aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por
conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la
conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al
movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una
diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores
eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor.
El factor de
proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales
como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y
conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto
tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy
mal el calor, y se conocen como aislantes.
En ingeniería resulta
necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en
el que existe una diferencia de temperatura conocida.
Convección
Si existe una diferencia de
temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se
producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una
parte del fluido a otra por un proceso llamado convección.
El movimiento del fluido
puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad
(masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra
en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende,
mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento,
debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se
denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido
a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a
las leyes de la hidrodinámica.
Supongamos, por ejemplo, que
calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al
fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de
la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el
agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo
que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a
calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba
pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De
forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire
situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado
junto al panel exterior (que está más frío) desciende, mientras que al aire
cercano al panel interior (más caliente) asciende, lo que produce un movimiento
de circulación.
El calentamiento de una
habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las
corrientes naturales de convección. Debido a la convección, los radiadores
deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del
techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección
natural es responsable del tiraje de las chimeneas. La convección también
determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie
terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes
oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su
superficie.
Radiación
La radiación presenta una
diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias
que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar
separadas por un vacío, o bien que no exista materia entre ellas. La radiación
es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos
relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación
pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación
general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica.
Albert Einstein sugirió que
la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto
fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados
fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante la había
postulado anteriormente Max Planck.
La expresión matemática de
esta ley, llamada ley de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante
que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del
cuerpo.
Para cada temperatura y cada
longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo
negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos
reales emiten con una intensidad algo menor.
La contribución de todas las
longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del
cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie
del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de
Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia
de su temperatura absoluta.
El factor de
proporcionalidad (σ) se denomina constante (de radiación) de Stefan-Boltzmann.
Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por
tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la
temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir
radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un
cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se
ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor
mayor de la que emite.
Las superficies opacas
pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las
superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y
pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las
superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también
son buenos emisores (superficie negra ideal o cuerpo negro ⇒e = 1); las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos
emisores (e = 0). Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates
para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que
maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela.
Algunas sustancias, entre
ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de
radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción,
reflexión y transmisión de una sustancia dependen de la longitud de onda de la
radiación incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de
radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de
los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda.
Una consecuencia de la ley
de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad
máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de
desplazamiento de Wien, que afirma que la longitud de onda que corresponde a la
máxima energía, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a
una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades
de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los
invernaderos.
La energía radiante del Sol,
máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra
en el invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior
del invernadero, predominantemente de longitudes de onda mayor, correspondiente
al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la
temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura
que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable
transferencia de calor neta hacia su interior.
Además de los procesos de
transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos
afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como
la fusión del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de
transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos.
Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la Tierra a
velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma
controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento
del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento
con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la
temperatura de la cápsula.
24) Ciclo de
refrigeración
Los sistemas de compresión emplean cuatro elementos en el ciclo de
refrigeración: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador.
En el evaporador, el refrigerante se evapora y absorbe calor del espacio
que está enfriando y de su contenido.
A continuación, el vapor pasa a un compresor movido por un motor que
incrementa su presión, lo que aumenta su temperatura (entrega trabajo al
sistema).
El gas sobrecalentado a alta presión se transforma posteriormente en
líquido en un condensador refrigerado por aire o agua.
Después del condensador, el líquido pasa por una válvula de expansión,
donde su presión y temperatura se reducen hasta alcanzar las condiciones que
existen en el evaporador.
QH = QC -
L ⇒L = QC-QH
η = - QC /L ⇒ - QC/(QC-QH)
Sistemas de absorción
Algunos refrigeradores domésticos funcionan mediante el principio de
absorción. En ellos, una llama de gas calienta una disolución concentrada de
amoníaco en agua en un recipiente llamado generador, y el amoníaco se desprende
en forma de vapor y pasa a un condensador. Allí se licúa y fluye hacia el
evaporador, igual que en el sistema de compresión. Sin embargo, en lugar de
pasar a un compresor al salir del evaporador, el amoníaco gaseoso se reabsorbe
en la solución diluida y parcialmente enfriada procedente del generador, para
formar de nuevo una disolución concentrada de amoníaco. Este proceso de
reabsorción se produce en un recipiente llamado absorbedor, desde donde el
líquido concentrado fluye de vuelta al generador para completar el ciclo.
25) Definiciones de Terminología
Adiabáticos: Es un Proceso
En termodinámica se designa
como proceso adiabático a aquél en el cual el sistema (generalmente,
un fluido que
realiza un trabajo) no
intercambia calor con su
entorno.
Un proceso adiabático que es además reversible
se conoce como proceso isoentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima
transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca
constante, se denomina proceso isotérmico.
El término adiabático hace referencia a elementos que
impiden la transferencia de calor con
el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro
ejemplo es la temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría
alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno.
En climatización los procesos de humectación
(aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay
transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire y
su humedad relativa.
Calorimetría
La calorimetría mide el calor en una reacción química o un cambio de estado usando un instrumento llamado calorímetro. Pero también se puede emplear un modo indirecto calculando el calor
que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de
carbono y de nitrógeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de
oxígeno.
Calorímetro
El calorímetro es un instrumento que sirve para medir
las cantidades de calor suministradas o recibidas por los
cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las
cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.
Calor específico
El calor específico
es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que
suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para
elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el
valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial.1 2 Se le
representa con la letra c\,\! (minúscula).
De forma análoga, se
define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que
suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una
unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra C\,\!
(mayúscula).
Capacidad calorífica
La capacidad
calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica
transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de
temperatura que experimenta. En una forma menos formal es la energía necesaria
para aumentar una unidad de temperatura (SI: 1 K) de una determinada sustancia,
(usando el SI).1 Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo
para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede
interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva,
ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la
cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un
cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de
una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la
capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión.
Calor
El calor está
definido como la forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o
diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas,
sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente
transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo
de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la
transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico
(ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).
Climatización
La climatización consiste en crear unas condiciones de
temperatura, humedad y limpieza del aire adecuadas para la comodidad dentro de
los espacios habitados.
La normativa española define climatización como: dar a un
espacio cerrado las condiciones de temperatura, humedad relativa, calidad del
aire y, a veces, también de presión, necesarias para el bienestar de las
personas y/o la conservación de las cosas.
1 Puede apreciarse que se ha abandonado cualquier
referencia al aire acondicionado, por ser una expresión que, aunque correcta,
puede prestarse a equívoco, ya que la mayoría de la gente parece entender que
se refiere exclusivamente a la refrigeración (climatización de verano), aunque
sería más lógico se refiriese al acondicionamiento del aire en todas las
épocas, verano e invierno.
Densidad
En física y química, la densidad (símbolo ρ) es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia. La densidad media es la razón entre la masa de
un cuerpo y el volumen que ocupa.
Energía interna
En física, la energía interna (U) de un sistema intenta ser un
reflejo de la energía a escala macroscópica. Más concretamente, es la suma de:
- la energía cinética interna, es decir, de las sumas
de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman respecto
al centro de masas del sistema, y de
- la energía potencial interna, que es la energía potencial
asociada a las interacciones entre estas individualidades.1
La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o
rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que
el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o
electrostático externo.
Energía cinética
En física, la energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo
de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada. Una vez
conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía
cinética salvo que cambie su velocidad. Para que el cuerpo regrese a su estado
de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía
cinética. Suele abreviarse con letra Ec o Ek
Energía potencial
En
un sistema físico, la energía potencial es la energía que mide la capacidad que
tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su
posición o configuración. Puede pensarse como la energía almacenada en el
sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Suele
abreviarse con la letra \scriptstyle U o \scriptstyle E_p.
La
energía potencial puede presentarse como energía potencial gravitatoria, energía
potencial electrostática, y energía potencial elástica.
Más
rigurosamente, la energía potencial es una magnitud escalar asociada a un campo
de fuerzas (o como en elasticidad un campo tensorial de tensiones). Cuando la
energía potencial está asociada a un campo de fuerzas, la diferencia entre los
valores del campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado por la
fuerza para cualquier recorrido entre B y A.
Entalpía
Entalpía
(del griego ἐνθάλπω [enthálpō], ‘agregar calor’; formado por ἐν [en], ‘en’ y
θάλπω [thálpō], ‘calentar’) es una magnitud termodinámica, simbolizada con la
letra H mayúscula, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía
absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de
energía que un sistema intercambia con su entorno.
En palabras
más concretas, es una función de estado de la termodinámica donde la variación
permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una
transformación isobárica (es decir, a presión constante) en un sistema
termodinámico (teniendo en cuenta que todo objeto conocido puede ser entendido
como un sistema termodinámico), transformación en el curso de la cual se puede
recibir o aportar energía (por ejemplo la utilizada para un trabajo mecánico).
En este sentido la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado con
el ambiente exterior al sistema en cuestión.
Usualmente
la entalpía se mide, dentro del Sistema Internacional de Unidades, en joules.
El caso más
típico de entalpía es la llamada entalpía termodinámica. De ésta, cabe
distinguir la función de Gibbs, que se corresponde con la entalpía libre,
mientras que la entalpía molar es aquella que representa un mol de la sustancia
constituyente del sistema.
Entropía
En
termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que,
mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede
utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter
extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un
proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los
sistemas termodinámicos.
La palabra entropía procede del griego
(ἐντροπία) y significa evolución o transformación.
Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la
desarrolló durante la década de 1850;1 2 y Ludwig Boltzmann, quien encontró la
manera de expresar matemáticamente este concepto, desde el punto de vista de la
probabilidad
Procesos
Iso
Son los procesos cuyas
magnitudes permanecen "constantes", es decir que el sistema cambia
manteniendo cierta proporcionalidad en su transformación. Se les asigna el
prefijo iso-.Ejemplo:
- Isotérmico: proceso a
temperatura constante
- Isobárico: proceso a
presión constante
- Isométrico o isocórico: proceso a
volumen constante
- Isoentálpico: proceso a entalpía constante
- Isoentrópico:
proceso a entropía constante
Isobáricos
Este es un Proceso:
Proceso
isobárico
Proceso
isobárico es aquel proceso termodinámico que ocurre a presión constante. En él,
el calor transferido a presión constante está relacionado con el resto de
variables.
Isocórico
Este es un Proceso: Proceso isocórico
Un proceso
isocórico, también llamado
proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el
volumen permanece constante; Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se
define como, donde es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido
por el sistema).
Procesos
politrópicos
Los procesos
politrópicos son aquellos procesos
termodinámicos para gases ideales que cumplen con la ecuación:
Máquina térmica
Una máquina térmica
es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía,
generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido
que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina. Se trata de
una máquina de fluido en la que varía el volumen específico del fluido en tal
magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son
interdependientes.
Masa
Para otros usos de este término, véase Masa
(desambiguación). Patrón de un
kilogramo.
La masa, en física, es una medida de la
cantidad de materia que posee un cuerpo.1 Es una propiedad intrínseca de los
cuerpos que determina la medida de la masa inercial y de la masa gravitacional.
La unidad utilizada para medir la masa en el Sistema Internacional de Unidades
es el kilogramo (kg). Es una magnitud escalar.
Medio externo
Se llama medio externo o ambiente a todo
aquello que no está en el sistema pero que puede influir en él. Por ejemplo,
consideremos una taza con agua, que está siendo calentada por un mechero.
Consideremos un sistema formado por la taza y el agua, entonces el medio está
formado por el mechero, el aire, etc.
Presión
La presión (símbolo p): es una magnitud física
que mide como la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad
de superficie (esa magnitud es escalar), y sirve para caracterizar cómo se
aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea. En el Sistema
Internacional la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal
(Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente
en un metro cuadrado. En el Sistema Inglés la presión se mide en libra por pulgada
cuadrada (pound per square inch o psi) que es equivalente a una fuerza total de
una libra actuando en una pulgada cuadrada.
El punto de rocío o temperatura de rocío es la temperatura a la que
empieza a condensarse el vapor de agua contenido en el aire, produciendo rocío,
neblina o, en caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja, escarcha.
Sistema
Un sistema (del latín systēma, proveniente del
griego σύστημα) es un objeto complejo cuyos componentes se relacionan con al
menos algún otro componente; puede ser material o conceptual.
1 Todos los sistemas tienen composición,
estructura y entorno, pero sólo los sistemas materiales tienen mecanismo, y
sólo algunos sistemas materiales tienen figura (forma). Según el sistemismo,
todos los objetos son sistemas o componentes de otro sistema.
2 Por ejemplo, un núcleo atómico es un sistema
material físico compuesto de protones y neutrones relacionados por la
interacción nuclear fuerte; una molécula es un sistema material químico
compuesto de átomos relacionados por enlaces químicos; una célula es un sistema
material biológico compuesto de orgánulos relacionados por enlaces químicos
no-covalentes y rutas metabólicas; una corteza cerebral es un sistema material
psicológico (mental) compuesto de neuronas relacionadas por potenciales de
acción y neurotransmisores; un ejército es un sistema material social y
parcialmente artificial compuesto de personas y artefactos relacionados por el
mando, el abastecimiento, la comunicación y la guerra; el anillo de los números
enteros es un sistema conceptual algebraico compuesto de números positivos,
negativos y el cero relacionados por la suma y la multiplicación; y una teoría
científica es un sistema conceptual lógico compuesto de hipótesis, definiciones
y teoremas relacionados por la correferencia y la deducción (implicación).
Temperatura
La temperatura es una magnitud referida a las
nociones comunes de caliente, tibio o frío que puede ser medida con un
termómetro.
En
física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna
de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la
termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte
de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía
asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido
traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor
la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más
«caliente»; es decir, que su temperatura es mayor.
Temperatura
Absolutas
La Temperatura absoluta es el valor de la
temperatura medida con respecto a una escala que comienza en el cero absoluto
(0 K ó −273,15 °C). Se trata de uno de los principales parámetros empleados en
termodinámica y mecánica estadística. En el Sistema Internacional de Unidades
se expresa en kelvin, cuyo símbolo es K.1
Temperatura
Relativa
Termodinámica
La Termodinámica es la rama de la física que describe los estados de
equilibrio a nivel macroscópico.
Constituye una teoría
fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas
reales, sin modelizar y sigue un método experimental.
Los estados de equilibrio son
estudiados y definidos por medio de magnitudes extensivas tales como la energía
interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por
medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura,
presión y el potencial químico; otras magnitudes tales como la imanación, la
fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en
general también pueden ser tratadas por medio de la termodinámica.
Vacío
El vacío (del latín vacīvus) es la ausencia total de material en los
elementos (materia) en un determinado espacio o lugar, o la falta de contenido
en el interior de un recipiente. Por extensión, se denomina también vacío a la
condición de una región donde la densidad partículas es muy baja, como por
ejemplo el espacio interestelar; o la de una cavidad cerrada donde la presión
de aire u otros gases es menor que la atmosférica.
Volumen
Cuerpos geométricos o figuras
geométricas «sólidas» que delimitan volúmenes.
El volumen 1 es una magnitud escalar 2 definida como la extensión en tres
dimensiones de una región del espacio.
Es una magnitud derivada de la
longitud, ya que se halla multiplicando la longitud, la anchura y la altura.
Desde un punto de vista físico, los cuerpos materiales ocupan un volumen por el
hecho de ser extensos, fenómeno que se debe al principio de exclusión de Pauli.
La capacidad
y el volumen son términos equivalentes, pero no iguales. Se define la capacidad
de un recipiente como la "propiedad de una cosa de contener otras dentro
de
Análisis Termodinámico (I):
Etapa de
compresión (1-2)
Análisis Termodinámico (II):
Etapa de expansión (3-4)
ciertos
límites"3 . La capacidad se refiere al volumen de espacio vacío de alguna
cosa que es suficiente para contener a otra u
Bibliografía
1-
E.T.S.I. INDUSTRIALES DE MADRID
CATEDRA DE TERMODINAMICA
Mayo 1998
3-
Wikipedia, la enciclopedia
libre
• Boltzmann, Ludwig (1986). Escritos de mecánica y
termodinámica. Alianza Editorial. ISBN 842060173X.
• Pérez Cruz, Justo R. (2005). La Termodinámica de Galileo a
Gibbs.
CARLOS J RENEDOrenedoc@unican.es
Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28
http://personales.unican.es/renedoc/index.htm
Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82
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