Termodinamica

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Termodinamica

  1. 1. COLEGIO SAN CARLOS/Gullizam RESUMEN TERMODINÁMICA NM4 La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía generalizada para incluir el calor como una forma de transferencia de energía. Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las formas de energía debe estar acompañado por una disminución en alguna otra forma de la misma. La primera ley no produce ninguna restricción sobre los tipos de conversiones de energía que pueden ocurrir. Además no hace distinción entre el trabajo y el calor. De acuerdo con la primera ley, la energía interna de un sistema se puede incrementar ya sea agregando calor o realizando un trabajo sobre el sistema. Pero existe una diferencia muy importante entre el trabajo y el calor que no se evidencia de la primera ley. Por ejemplo, es posible convertir completamente el trabajo en calor, pero en la practica, es imposible convertir completamente el calor en trabajo sin modificar los alrededores. La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. De todos los procesos permitidos por la primera ley, solo ciertos tipos de conversión de energía pueden ocurrir. Los siguientes son algunos procesos compatibles con la primera ley de la termodinámica, pero que se cumplen en un orden gobernado por la segunda ley. 1) Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido. 2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal del agua requiere algún trabajo externo 3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse, pero el proceso inverso nunca ocurre. Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es decir procesos que ocurren naturalmente en una sola dirección. Ninguno de estos procesos ocurre en el orden temporal opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda ley de la termodinámica. La naturaleza unidireccional de los procesos termodinámicos establece una dirección del tiempo. La segunda ley de la termodinámica, que se puede enunciar de diferentes formas equivalentes, tiene muchas aplicaciones prácticas. Desde el punto de vista de la ingeniería, tal vez la más importante es en relación con la eficiencia limitada de las máquinas térmicas. Expresada en forma simple, la segunda ley afirma que no es posible construir una máquina capaz de convertir por completo, de manera continua, la energía térmica en otras formas de energía. Primera ley: Esta ley esta basada en el principio de conservación de la energía y se puede enunciar así: En cualquier proceso termodinámico, el calor neto absorbido por un sistema es igual a la suma del equivalente térmico del trabajo realizado por él y el cambio de su energía interna. ΔQ = ΔW + ΔU Donde : ΔQ = Transferencia de Calor del Sistema ΔW = Trabajo realizado ΔU = Cambio de Energía interna Segunda ley: Esta ley plantea la imposibilidad de convertir 100 % de la energía térmica en trabajo útil. Esta ley se podría definir de muchas formas aquí presentamos dos posibles. El calor nunca fluye por sí mismo de un cuerpo frío a otro caliente Es imposible construir una máquina que, si opera continuamente, no produzca otro efecto que la extracción de calor de una fuente y la realización de una cantidad equivalente de trabajo. Entonces el calor siempre fluye de lo caliente a lo frió, en una maquina térmica por ejemplo se generara una alta temperatura que servirá para producir un trabajo útil y una baja que será desechada. También se podría afirmar que la calidad de la energía se va deteriorando, los sistemas se van degenerando, veamos como la gasolina que se quema en un auto y que se utiliza en una pequeña parte nunca se podrá concentrar de nuevo, es un proceso irreversible, entonces toda la energía existe pero queda disipada y el desorden continuara sin retroceso Entropía Es la medida de la cantidad de desorden y supone que la entropía se incrementa siempre. Supongamos el caso de un automóvil y veamos la siguiente tabla: Solo un 26% se utiliza el resto es energía que se disipa, se agrega al desorden universal. Aun este 26 % no es totalmente utilizado en la aceleración del vehículo. Salida de energía del motor 26% = energía utilizada en la aceleración 3% + fricción en el rodamiento 6% + energía para los accesorios 3% + pérdidas en marcha cuesta abajo y vacío 4% + resistencia del aire 7% + pérdidas en la transmisión de potencia 3%. Entonces la entropía es un hecho real, hay una energía que se quema, parte se utiliza otra se disipa y el proceso es irreversible. La entropía se enuncia de la siguiente forma T Q S   Donde ΔS: Es el cambio de Entropía ΔQ: Cantidad de calor agregado a un sistema T : Temperatura absoluta del sistema La Entropía confirma la creación La termodinámica es la parte de la física que trata de la acción mecánica del calor. Dos concepto: calor y acción mecánica, dan lugar al nombre, termodinámica. Podemos decir que el desarrollo de la termodinámica ha determinado el desarrollo tecnológico de la civilización. El hombre a través de los siglos ha ido aprendiendo a conocer y utilizar las fuerzas de la naturaleza. Las leyes de la termodinámica son muy generales y se aplican a amplísimos y variados campos, que van desde la dieta adecuada para aumentar o bajar de peso hasta la teoría de la evolución del universo. En la termodinámica se manejan dos conceptos básicos: energía y entropía. La energía determina el primer principio, la entropía el segundo. Primer principio de la termodinámica. Leibniz (1646-1716) al interesarse por las "fuerzas vivas" (energía) que causan el movimiento, o sea la vis-viva y vis- morta, que actualmente se llaman energía cinética y potencial, descubrió que eran convertibles entre sí, y que la suma de las dos era constante. Con su intuición se adelantó varios siglos a lo que luego se llamara el "primer principio de la termodinámica", formulado por Sadi Camot en 1824. El principio se expresa así: "La energía del universo permanece constante. El calor no es otra cosa que la potencia motriz que ha cambiado de forma. Donde hay destrucción de potencia motriz hay al mismo tiempo producción de calor en cantidad precisamente proporcional a la cantidad de potencia motriz destruida. Recíprocamente, donde hay destrucción de calor hay producción de potencia motriz". En otros términos, el calor genera potencia motriz, acción mecánica o movimiento, y éste, a su vez, genera calor. Ambos son constantes en el universo. La naturaleza constituye una inmensa fuente de energía donde se realizan procesos y trabajos sin la intervención del hombre, es decir, procesos espontáneos. La espontaneidad tienen un sentido, una dirección. Si se quema carbono en nuestra atmósfera terrestre oxigenada se formará dióxido de carbono, perdiendo el sistema gran cantidad de calorías que ganará el entorno. Esto sucede cuando se quema un bosque.
  2. 2. El proceso inverso, que el dióxido de carbono vuelva a formar el bosque no es natural, no es espontáneo en las condiciones terrestres. Segundo principio de la termodinámica. El primer principio sólo nos habla de la conservación y transformación de energía, sin precisarnos el sentido de la transformación. Vimos que no es espontáneo que el bosque se reconstruya a partir de sus componentes. Este concepto de irreversibilidad no viola el concepto expresado en el primer principio, sino que introduce la idea de jerarquía de las distintas energías. La energía mecánica es superior a la calórica, pues podemos transformarla toda en calor, pero el calor producido no podemos transformarlo todo en energía mecánica. Esto nos indica que transformar energía mecánica en calórica es un proceso irreversible basado en la jerarquía de energías. En 1850, Joule, queriendo precisar las equivalencias de las energías, construyó un aparato consistente en una batea aislada que poseía un eje con paletas que se podían mover por un sistema de poleas al caer un peso de determinada altura. Conociendo el peso, la distancia recorrida, la temperatura inicial del agua, su volumen y la temperatura final, se obtuvo la equivalencia entre el trabajo mecánico efectuado y el calor desarrollado, y la equivalencia dio que por cada 427 kilográmetros se obtiene una kilocaloría (o sea 1.000 calorías). Pero invirtiendo el proceso, con una kilocaloría no podemos realizar el trabajo de 427 kilográmetros. El proceso es irreversible. Esa irreversibilidad nos indica que hay una porción de energía calórica que no podemos utilizar, que se nos escapa en la transformación. A esa energía no utilizable, Clasius le dio el nombre de entropía. Clasius definió el segundo principio de la siguiente manera: "El calor no puede pasar por sí mismo de un cuerpo de temperatura más baja a otro de temperatura más alta". Para precisar aun más el concepto de entropía podemos decir que mientras la energía sirve para efectuar trabajos y transformaciones, la entropía no. ¿La entropía es energía? Es una energía no aprovechable, no utilizable, una energía que no sirve, una energía degradada. ¿Y una energía que no sirve es energía? En esta ambigüedad, algunos dicen que es "la sombra de la energía" pues siempre la acompaña. A pesar de su ambigüedad, todos sabemos que si no vamos a la mesa a tiempo la comida se nos enfría, y que por sí sola nunca podrá calentarse. Por eso este proceso es irreversible. Del principio de la irreversibilidad de los fenómenos de la naturaleza y de esta llamada degradación de la energía, se deriva un problema de gran trascendencia para la cosmología. Si todas las experiencias nos inclinan a admitir la entropía, la ley es general. Es decir, si en todo el universo sucede que la energía de un modo u otro se manifiesta en forma de calor, y este proceso es irreversible, resultaría probada, por la ciencia natural, la siguiente tesis: "El mundo universo, a menos que intervenga una causa extrínseca al mismo (como sería poner la comida en el fuego nuevamente) naturalmente, ha de tener fin, en cuanto todo en él se ha de reducir por el natural curso de las cosas a un estado de muerte y de inacción". En efecto; el principio admitido es que la entropía o cantidad de energía no utilizable va siempre en aumento (no utilizable para producir una acción). Por otra parte, para la ciencia actual está probado que según el primer principio de la termodinámica, la suma total de energía existente en el universo es constante. Luego, llegará un momento en que nada quedará de ella disponible, como energía utilizable; lo que equivale a decir que no habrá acción posible. De esta consecuencia, la de la relación entre el primer y segundo principio de la termodinámica y de la ley de aumento de la entropía, se deduce otra más trascendental para la metafísica, y es la siguiente: "No sólo no es necesario que el mundo sea eterno, sino que la sola razón prueba que empezó en el tiempo". Si ha de llegar el mundo algún día en el tiempo al estado de esta inacción o muerte de la que hicimos mención, en el caso que hubiese existido desde toda la eternidad ya habría llegado este momento, que ahora se calcula, de necesaria extinción para la vida del mundo. Por lo tanto, el hecho evidente de que no ha llegado es testimonio de que el mundo no es eterno. Sería esto una comprobación del hecho revelado de que el universo fue creado finito, contingente, y por lo tanto no eterno. Con un comienzo y con un fin. Epílogo. La energía del universo es un "quántum" constante, o sea nunca podrá encontrarse pérdida o aumento de la misma. Vimos que la energía mecánica es superior a la calórica, pues mientras podemos transformarla toda en calor, no podemos transformar todo el calor en energía mecánica. A este resto de energía inutilizable, que hace irreversible todo proceso de la naturaleza, se llama entropía. El universo -como todo sistema termodinámico- va aumentando su entropía. La energía inutilizable es cada vez mayor, lo que lleva al enfriamiento del universo, al equilibrio total, a la muerte del movimiento. Repito, la energía del universo es constante (primer principio), lo que aumenta es la energía degradada incapaz de producir acción mecánica (entropía, segundo principio). La idea de que la energía ordenada tiende a transformarse en energía desordenada está contenida en el concepto de Entropía. La entropía es la medida de la cantidad de desorden. Si el desorden aumenta, la Entropía aumenta. La segunda ley establece que en los procesos naturales la entropía siempre aumenta a la larga. Las moléculas de gas que escapan de un frasco pasan de un estado relativamente ordenado a uno desordenado. Con el tiempo, las estructuras organizadas se convierten, en ruinas desorganizadas. Las cosas se echan a perder por sí solas. Siempre que se permite que un sistema físico distribuya libremente su energía lo hace de tal modo que su entropía aumenta y la energía disponible en el sistema para realizar trabajo disminuye. En los sistemas físicos la entropía aumenta normalmente, sin embargo, cuando se suministra trabajo al sistema, como en el caso de los organismos vivos, la entropía disminuye. Todo ser viviente, desde las bacterias y los árboles hasta los seres humanos, extrae energía de su entorno y la utiliza para incrementar su propio grado de organización. Este orden de las formas de vida se conserva aumentando la entropía en otro lugar, de tal manera que las formas de vida junto con los productos de desecho experimentan una reducción neta de entropía. Se debe transformar energía en el sistema viviente para que este se mantenga con vida. De lo contrario, el organismo muere muy pronto y tiende al desorden. La primera ley de la termodinámica es una ley universal de la naturaleza de la cual no se han observado excepciones. La segunda ley, sin embargo, es una afirmación de probabilidad Dado el tiempo suficiente, pueden ocurrir hasta los estados poco probables; la entropía puede disminuir a veces espontáneamente. Por ejemplo, los movimientos aleatorios de las moléculas del aire podrían por un instante hacerse armoniosos en un rincón de la habitación, del mismo modo que si vaciamos en el piso un tonel lleno de monedas, todas ellas podrían caer del mismo lado. Estas situaciones son posibles pero no probables. La segunda ley nos indica el rumbo más probable que pueden tomar los acontecimientos, no el único posible. A veces se enuncian las leyes de la termodinámica de esta manera: No hay forma de ganar (Porque no puedes obtener de un sistema más energía de la que suministras) No hay forma de empatar (Porque ni siquiera puedes obtener tanta energía como la que inviertes) No hay forma de salir del juego (Porque la Entropía del universo siempre aumenta).

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