FísicaCurso: Física General.
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Sesión Nº 20 : Termodinámica.
Profesor: Carlos Alvarado de la Portilla
Bibliografía.
• Física Universitaria; Sears, Zemansky, Young, Freedman XI Edición.
• Física General; Carel W., Daniel Schaum
Profesor: Carlos Alvarado de la Portilla
Termodinámica.1.- Parámetros de un sistema termodinámico.
2.- Ecuación de estado de un gas ideal.
3.- Energía interna.
4.- Procesos termodinámicos.
5.- Trabajo efectuado por un gas ideal.
6.- Primera ley de la termodinámica.
7.- Máquinas térmicas.
8.- Rendimiento.
9..- Máquina de Carnot.
10.- Segunda ley de la termodinámica.
11.- Entropía Ejercicios.
Termodinámica.
• Sistema termodinámico.
Es una parte del universo que se aisla para su estudio. Esta aislamiento se puede llevar a cabo de un a manera real en el campo experimental ; o de una manera ideal cuando se trata de un estudio teórico.
• Parámetros de un sistema termodinámico. • Los sistemas que se estudian son generalmente
aquellos cuyo estado queda perfectamente determinado por una terna de variables de estado: la Presión, el Volumen y la Temperatura.
1.- Parámetros de un sistema termodinámico.
Abiertos
Cerrados
Aislados
• La ecuación que describe normalmente la relación entre presión, volumen, temperatura y número de moles de un gas ideal es:
P V = n R T
Donde :
P = presión
V= volumen
n = número de moles
R = Constante universal de los gases ideales
T = temperatura en grados Kelvin
2.- Ecuación de estado de un gas ideal.
• R = 8.314471 J /°K (molg)
• R = 1.987 cal /°K (molg)
• R = 0.082 litro-atm /°K (molg)
• Valores de la constante universal de los
gases ideales R.
Observemos una simulación de un gas ideal. Figura Presión Volumen Temperatura número
pascal litros °C de moles
N° 1 30 160 140 30 N° 2 30 208 180 30 N° 3 30 233 200 30 N° 4 30 260 220 30
Proceso a presión constante. T= 140 °C.
Figura N° 1
Proceso a presión constante. T=160 °C
Figura N° 2
Proceso a presión constante. T=200 °C
Figura N° 3
Proceso a presión constante. T=220 °C
Figura N° 4
Variables de Estado de gases ideales.
Solo se considera el choque entre las moléculas y choque de las moléculas con las
paredes del recipiente.
3.- Energía interna “ΔU”.
• La energía interna de un gas ideal es aquella que esta vinculada al movimiento interno de las moléculas del gas, es decir esta vinculada a la teoría cinética molecular desarrollada por Boltzmann y Maxwell:
• Todo gas ideal esta compuesto por pequeñas partículas esféricas llamadas moléculas.
• Las moléculas se mueven en forma recta y desordenada.
• Los choques de las moléculas con las paredes del recipiente ejercen una presión continua sobre él.
• Los choques moleculares son perfectamente elásticos.
• No se considera la atracción molecular.
• La energía cinética media es proporcional a la temperatura absoluta del gas.
Energía interna “ΔU”.
Teoría CinéticaPresión sobre las paredes
Movimientos de las moléculas
Teoría cinética de gases
4.- Procesos termodinámicos.
• Proceso termodinámico.• Son aquellos procesos que describen los
cambios termodinámicos de la sustancia de trabajo; al pasar de un estado inicial a otro estado final.
Proceso del estado 1 al estado 2:
(Proceso 1,2)
Los procesos termodinámicos pueden ser:
• Proceso Isotérmico: A temperatura constante.
• Proceso Isobárico: A presión constante.
• Proceso Isométrico (Isocórico): A volumen constante.
• Proceso Adiabático: No hay intercambio de calor con su entorno.
Ley de Boyle.
A temperatura constante la presión de un gas es inversamente proporcional a su volumen.(Proceso Isotérmico)
PV= constante
Ley de Charles.
A presión constante el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura Absoluta.
(Proceso Isobárico)
V / T= const
Ley de Gay-Lussac.
A volumen constante la presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.
(Proceso Isocórico)
P / T= const.
Sustancia de trabajo.
• Es aquella sustancia que recorre el sistema y en el cual podemos almacenar y/o extraer energía.
Ciclo termodinámico.• Es aquel fenómeno que experimenta un
sistema termodinámico mediante el cual la sustancia de trabajo, luego de varios procesos, retorna a su estado original.
Ciclo 1,2,3,4,1.P. e. Ciclo 3,4,1.
P. e. estado 4.
5.- Trabajo efectuado por un gas ideal.
• Cuando un gas se encuentra encerrado y experimenta un proceso de expansión, se dice que realiza un trabajo sobre las paredes internas del recipiente (límites del sistema), cuyo valor dependerá del tipo del proceso.
• Si este es isobárico (a presión constante) se verifica que:
Wgas = p ΔV
6.- Primer Principio de termodinámica.
• En la transformación de cualquier tipo de energía en energía calorífica, o viceversa, la energía calorífica producida equivale exactamente a la energía transformada.
Q = ΔU + W
Sea un sistema en el que se introduce una cierta cantidad de caloir “Q” y se produce una trabajo exterior “W”, la diferencia “Q - W” permanece en el sistema y se invierte en incrementar la energía interna “ΔU” del mismo sistema. Es decir: Q - W = ΔU ; o bien
Q = ΔU + W
W (-) W (+)
Q (+)
Q (-)
Donde:
Q: calor
W: trabajo
ΔU: energía i interna
Sistema
7.- Máquinas térmicas.
• Se denomina así a aquel sistema termodinámico cuya sustancia de trabajo, funcionando en un ciclo, nos entrega trabajo neto, a cambio de una absorción neta de calor.
• En otras palabras una máquina térmica recibe calor y a cambio desarrolla trabajo, mientras realiza un ciclo termodinámico.
8.- Rendimiento de una máquina térmica “η%” (letra griega eta)
• El rendimiento de una máquina térmica esta dado esta dado por la relación que existe entre el trabajo neto obtenido de la máquina y el calor suministrado a la máquina.
• Es decir
• En 1824 el frances Sadi Carnot ideó un ciclo termodinámico que trabajando entre dos temperaturas limites, conseguía tener una eficiencia mayor que cualquier otro que trabaje entre los mismos límitres; principio que lleva su nombre: ciclo de Carnot.
9.- Máquina de Carnot (Ciclo de Carnot.)
• Este ciclo esta compuesto por dos procesos de expansión y dos de compresión; asímismo dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos (sin ganancia ni pérdida de calor), los cuales se indican en la figura.
Ciclo de Carnot.
Caldero
Condensador
η
CQA
TB
TA
QA
WNETO
Donde:
TA: Temp. absoluta
Foco caliente
TB: Temp. Absoluta
foco frío
La eficiencia de este ciclo solo depende de las temperaturas absolutas de los focos caliente y frío y viene dado por las fórmulas:
ηc = TA- TB / TA = 1 - (TB / TA)
ηc = W NETO / QSUMINISTRADO
Ciclo de Carnot.
Donde:
TA: Temp. Absoluta Foco caliente
TB: Temp. Absoluta foco frío
Ciclo del motor de Carnot.
Ciclo del motor de Carnot.
Ciclo del motor de Carnot.
10.-Segundo principio de termodinámica.
• El calor se proparaga de manera natural de las zonas de alta tempertatura hacia las zonas de baja temperatura.
• Asimismo esta principio aplicado a máquinas térmicas tiene los siguientes enunciados:
1.- En una máquina térmica es imposible que durante un ciclo, el calor suministrado se convierta integramente en trabajo.
2.- No es posible construir una máquinba o dispositivo físico que opere continuamente en un ciclo, recibiendo calor de una sola fuente y produciendo una cantidad equivalente de trabajo.
3.- Es imposible que exista una máquina 100 % eficiente.
• La entropía es una medida cuantitativa del desorden.
• Consideremos una expansión isotérmica infinitecimal de un gas ideal; agreguemos calor dQ y dejamos que el gas se expanda un volúmen dV apenas lo suficiente para mantener constante la temperatura.
11.- Entropía “S”.
a + x
Las moléculas se mueven en un volumen mayor y tienen mayor aleatoriedadde posición.Tienen mayor entropia “S”
Incrementamos el volumen, T=const
• Dado que la energía interna U del gas ideal solo depende de la temperatura, entonces U también será constante.
• Por el primer principio de termodinámica (Q = ΔU + W) , el trabajo dW efectuado por el gas
es igual al calor dQ agregado; es decir: dQ = dW = (P) dV = (nRT / V) dV; entonces dQ = (nRT / V) dV luego (dV / V) = dQ / nRT = (dQ / T) (1 / RT)
Entropía “S”.
Observamos que la variación del volúmen dV sobre el volúmen V, es directamente proporcional a la variación del calor suministrado dQ sobre la temperatura absoluta T, a lo que llamaremos entropia “S”.
(dV / V) = (dQ / T) (1 / RT)
Entropía “S”.
• Entonces el gas esta en un estado mas desordenado después de la expansión, porque las moléculas se mueven en un volumen mayor y tienen mayor aleatoriedadde posición.
• Por tanto el cambio fraccionado del volumen dV/V es una medida del aumento del desorden; y la ecuación anterior indica que es proporcional a dQ / T (que llamamos entropia S)
Entropía “S”.
• Si se agrega un calor total “Q” a un sistema termodinámico, durante un proceso isotérmico reversible, a una temperartura absoluta “T”; entonces el cambio de entropía total “ΔS” será ΔS = S2 – S1 ; y esta dado por
Resumen de Entropía “S”.
Proceso isotérmico reversible.Unidades: J / °K (Joul sobre grado Kelvin)Q/T: es una característica apropiada del aumento de aleatoriedad o desorden cuando hay flujo de calor hacia el sistema
ΔS = S2 – S1 = = Q / T
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