LEY DE LA ENERGIA LEY DE LA...
Transcript of LEY DE LA ENERGIA LEY DE LA...
LEYES DE LA TERMODINAMICA
LEY DE LA ENERGIALEY DE LA ENTROPIA
Joaquín Medín MolinaFisica general 2 2006
FORMULACION SIMPLIFICADA DE LEYES TERMODINAMICAS PARA SISTEMAS PURAMENTE TERMICOS
energia decuerpo caliente
energia decuerpo frioflujo de calor
. UN FLUJO DE CALOR AUMENTA LA ENERGIA DE EL CUERPO QUE LOABSORBE EN LA MISMA MEDIDA QUE DISMINUYE LA ENERGIA DELCUERPO QUE LIBERA EL CAOR
LEY DE CONSERVACION DE ENERGIA
LEY DE TENDENCIA AL EQUILIBRIO
EL CALOR SIEMPRE FLUYE NATURALMENTE DEL CUERPO CALIENTEAL CUERPO FRIO HASTA ALCANZAR UN EQUILIBRIO
NECESIDAD DE AMPLIAR FORMULACION DE PRIMERA LEYPARA INCLUIR SISTEMAS TERMOMECANICOS
UN SISTEMA PUEDE ADQUIRIR ENERGIA TERMICA Y SUBIR SUTEMPERATURA MEDIANTE TRABAJO, SIN NECESITAR ABSORBER CALOR
corriente
FORMULACION MAS GENERAL DE PRIMERA LEY PARA SISTEMAS CERRADOS
LA ENERGIA DE UN SISTEMA CERRADO SOLO CAMBIA MEDIANTE FLUJOS DE CALOR YTRABAJO QUE NO ALTERAN LA ENERGIA TOTAL DEL UNIVERSO (SISTEMA MAS AMBIENTE)
Cambio de energia del sistema= calor(Q) que absorbe - trabajo(W) que hace sobre ambiente
Ejemplo ilustrativo: sistema=gas dentro de un cilindro sellado durante 10 segundos
H=3 julios/seg (vatios) , Potencia= 2 julios/seg (vatios)suponemos que la energia inicial del sistema =100julios
y que la energia inicial de fuente de calor=fuente de trabajo= 200 julios
Hallar W,Q,∆E , Energias finales del sistema y de las fuentes y laenergia del universo al inicio y al final del proceso.
EPotenciaH
DETERMINACION DEl TRABAJO(W) Y DELCALOR(Q) PARA UNSISTEMA GASEOSO MEDIANTE LA PRIMERA LEY
F= FUERZA CONTRA EL PISTONv= velocidad de espansión del pistónP= PRESION DEL GASA= AREA DEL PISTONdV= cambio infinitesimal de volumen del gas
PARA UN FLUIDO(GAS O LIQUIDO) PODEMOS INTERPRETAR TRABAJO COMOLA INTEGRACION DE LA PRESION A TRAVES DE UN CAMBIO EN VOLUMEN
Ejemplo : expansión isotérmica de aire a temperatura de 27ºC :V1=1m^3, V2=2m^3, T=300K , n=40 moles ,R=8.2J/KDETERMINACION DE W Y DE Q CON LA PRIMERA LEY
=7E4 J
Q=W=7E4J
energia delambiente
energia delsistema
potencia térmica
fuerza
velocidad
potencia mecanica
temperatura delambiente temperatura del
sistema
potencia química
flujo de sustancias
1 LEY: LEYDE CONSERVACION DE ENERGIA: SISTEMAS ABIERTOS
•Propiedad acumulativa de un sistemaque expresa su capacidad para generarcambios físicos•propiedad que se conserva: lo que ganael sistema lo pierde el ambiente yviceversa•propiedad intercambiable con elambiente por tres procesos o flujos:flujode sustancias quimicas(potenciaquimica),flujo de trabajo(potenciamecanica) y flujo de calor(potenciatermica)•propiedad escalar que asume diversasformas que son mutuamentetransformables
Propiedad acumulativa que se conserva, peroque puede transformarse y / o pasar de uncuerpo a otro mediante trabajo, calor o unflujo de sustancias
ENERGIA:
FORMULACION GENERAL DE SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICALEY DE CRECIMIENTO DE LA ENTROPIA
Sistema
ambiente
QUniverso=sistema + ambiente
TODO SISTEMA MACROSCOPICO TIENEUNA PROPIEDAD ,LA ENTROPIA, TAL QUE EN TODOPROCESO NATURAL SU VALOR PARA EL UNIVERSOCRECE(PROCESO IRREVERSIBLE) O PERMANECEIGUAL(PROCESO REVERSIBLE)
0SSSSSS
AU
AU≥≥≥≥∆∆∆∆++++∆∆∆∆====∆∆∆∆
++++====
LA ENTROPIA , IGUAL QUE LA ENERGIA SE DEFINE POR SUCAMBIA EN UN PROCESO DEL SIGUIENTE MODO:
Calor intercambiado por sistema con ambiente
Temperatura absoluta del sistema
Q>0 si sistema absorbe calor y Q<0 si sistema libera calor
Unidades de S = cal / K
CALCULO DE CAMBIO DE ENTROPIA DEL UNIVERSO ENPROCESO IRREVERSIBLE A TEMPERATURA AMBIENTAL DE 27ºc
SISTEMA: 10 gm de hielo a 0ºC AMBIENTE: aire a 27ºC PROCESO: FUSION DEL HIELO
K/cal93.2K273º
g/cal80*g10hielo atemperatur
latente calorTQS ================∆∆∆∆
Q (calor absorbido del ambiente)
El cambio de entropia del ambiente(aire a 27ºC) es
El aumento de entropia del universo es:
Cubode hielo
Charcode agua
>0
CALCULO DE CAMBIO DE ENTROPIA DEL UNIVERSO EN AMBIENTEA TEMPERATURA DE -10ºC
SISTEMA: charco de 10 gm de agua a 0ºC AMBIENTE: aire a -10ºCPROCESO: CONGELACION DEL AGUA
Charcode agua
Trozode hielo
<0 Q
K/cal93.2K273º
g/cal80*g10agua atemperatur
latente calorTQS −−−−====−−−−============∆∆∆∆
El cambio de entropia del ambiente(aire a -10ºC) es
El aumento de entropia del universo es:
CALCULO DE CAMBIO DE ENTROPIA DEL UNIVERSO EN AMBIENTE A TEMPERATURA DE 0ºC
SISTEMA: 10 gm de hielo a 0ºC AMBIENTE: aire a 0ºC PROCESO: FUSION DEL HIELO
K/cal93.2K273º
g/cal80*g10hielo atemperatur
latente calorTQS ================∆∆∆∆
El cambio de entropia del ambiente(aire a 0ºC) es
273K-2.93cal/K
(-2.93) 0 cal / KEn estas condiciones el proceso ocurre reversiblemente y no se crea entropia
FORMULACION DINAMICA DE SEGUNDA LEY
ambiente aTemperaturcalor de flujo-ambiente al entropia de Flujo ====
sistema aTemperaturcalor de flujosistema al entropia de Flujo ====
Ejercicio Stella
MODELO CINETICO MOLECULAR DE EHRENFEST DEL INTERCAMBIO DECALOR EN GASES
GAS CALIENTE GAS FRIO
moleculacon movimiento
Moleculaen reposo
REGLA DE COLISIONES ENTRE MOLECULAS:CADA VEZ QUE UNA MOLECULA MOVIL CHOCA CONTRA LA PARED
QUE SEPARA LOS GASES , TRANSMITE SU ENERGIA CINETICA A UNA MOLECULA ENREPOSO DEL OTRO GAS PEGADA A LA PARED.
CONSTRUIR MODELO EN STELLA
MAPA CONCEPTUAL DEL MODELO CINETICO MOLECULAR DE EHERENFEST DELINTERCAMBIO DE CALOR ENTRE GASES
SUPUESTOS1. En cada gas hay dos clases de moleculas las activas( con energia cinetica) y lasinactivas(carentes de energia cinetica)2. En un tiempo suficientemente pequeño una molecula activa de un gas choca al azar contra lapared y transmite toda su energia a otra molecula en reposo en el otro gas pegada a la pared.3. La probabilidad de un choque es proporcional a la fraccion de moleculas activas en cada gas oa lo que es igual: a la energia cinetica promedio de una molecula en cada gas.
EVOLUCION MAS PROBABLE DEL SISTEMA
Gas A Gas B Gas A Gas B
BA T3T ==== BA TT ====
Estado inicial Estado final
ENTROPIA DE A+B INICIAL ENTROPIA DE A+B FINAL<DESORDEN INICIAL DESORDEN FINAL<
A NIVEL MOLECULAR LA ENTROPIA PUEDE INTERPRETARSE COMO UNINDICADOR DE DESORDEN
SIMULACION DEL MODELO PARA 1000 MOLECULAS EN CADA GASEQUILIBRAMIENTO DE TEMPERATURAS
CRECIMIENTO DE LA ENTROPIA TOTAL
EL CRECIMIENTO DE LA ENTROPIA NO ES MONOTONICO Y REGISTRA EN OCASIONES FLUCTUACIONESQUE REDUCEN POR TIEMPOS CORTOS LA ENTROPIA.
EL EQUILIBRIOTERMICO COINCIDECON EL ESTADO DE ENTROPIAMAXIMO
LA LEY DEENTROPIAES UNA LEYPROBABILISTA(CONDICIONADAPOR EL AZAR)
CARACTER PROBABILISTICO DE LA SEGUNDA LEY EN CONTRASTECON LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA
LA PRIMERA LEY ES DETERMINISTA(NO ESTA SUJETA A FLUCTUACIONES DEBIDO ALAZAR) MIENTRAS QUE LA SEGUNDA LEY ES PROBABILISTA. SEGUN CRECE EL NUMERODE MOLECULAS DISMINUYE LA IMPORTANCIA DE LAS FLUCTUACIONES (LEY DE LOSGRANDES NUMEROS) Y LA SEGUNDA LEY LUCE CADA VEZ MAS COMO SI FUERA UNA LEYDETERMINISTA.
SIMULACION DEL MODELO PARA 10000 MOLECULAS
CRECIMIENTO DE ENTROPIA Y FLECHA DEL TIEMPO
EL AUMENTO UNIVERSAL Y CONTINUO EN LA ENTROPIA DELUNIVERSO ES PROBABLEMENTE LA RAZON QUE EXPLICA ELCARACTER IRREVERSIBLE DEL TIEMPO: SU FLUJO INEXORABLE DELPASADO AL FUTURO.
•A NIVEL MOLECULAR NO PODEMOS DISTINGUIR ENTRE PASADO YFUTURO PORQUE LAS LEYES DE LAS COLISIONES ENTRE LASMOLECULAS SON REVERSIBLES .•PUEDE PENSARSE ENTONCES QUE EL FLUJO UNIDIRECCIONAL DELTIEMPO ES UNA PROPIEDAD EMERGENTE DEL NIVEL MACROSCOPICO DELA REALIDAD
COMPATIBILIDAD DE LA LEY DE ENTROPIA CON LA EVOLUCION
•EL SURGIMIENTO DE UNA NUEVA ESPECIE POR UN PROCESO DESELECCION NATURAL SUPONE UNA REDUCCION DE LA ENTROPIA DELSISTEMA QUE EVOLUCIONA•COMO LOS SISTEMAS BILOGICOS NO SON AISLADOS Y ESTAN ENCONTINUA INTERACCION CON SU AMBIENTE, LA EVOLUCION DE UNANUEVA ESPECIE VA SIEMPRE ACOMPAÑADA DE UN AUMENTO EN LAENTROPIA DEL AMBIENTE.•BASTA QUE EL AUMENTO EN ENTROPIA DEL AMBIENTE SEA MAYORQUE LA DISMINUCION DE LA ENTROPIA DEL SISTEMA PARA ASEGURARQUE LA ENTROPIA DEL UNIVERSO(SISTEMA +AMBIENTE) CRECE Y QUEPOR TANTO LA EVOLUCION DE UNA NUEVA ESPECIE Y LA SEGUNDA LEYDE LA TERMODINAMICA SON COMPATIBLES .