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TermodinámicaTermodinámicaSellamanvariables deestado a lascantidadesquedescriben elestado de unsistema,como laenergíainter...
Calor y TrabajoCalor y Trabajo El calor se define como una transferencia de energíaprovocada por una diferencia de temper...
 Si el gas se expande lentamente de manera que elsistema permanezca prácticamente en equilibriotermodinámico en todo mome...
 El gas se expande como se muestra en lafigura (b), será positivo y el trabajorealizado por el gas también será positivo....
 El trabajo realizado por un gas cuando pasa de un estado iniciala un estado final depende de la trayectoria seguida entr...
Trabajo Realizado por un GasTrabajo Realizado por un Gas El área bajo la curva en el diagrama P v/s Vrepresenta el trabaj...
Primera Ley de laPrimera Ley de laTermodinámicaTermodinámica Se refiere a la conservación de la energía, es decir, aque l...
Procesos TermodinámicosProcesos Termodinámicos Existen distintos procesostermodinámicos que sepueden analizar utilizando ...
Proceso IsotérmicoProceso Isotérmico Es un proceso que se lleva a cabo a temperaturaconstante. Para esto se supone que el...
 De acuerdo al gráfico, el gas inicialmente se encuentra en unestado representado por el punto A. Si se agrega al sistema...
 Al no variar la temperatura, la energía interna nocambia, es decir: De acuerdo a la primera Ley:de manera que W=Q. Est...
Proceso AdiabáticoProceso Adiabático Es un proceso en el cual no se permite flujo de calorhacia el sistema o desde él, po...
Proceso IsobáricoProceso Isobárico Es aquel en que la presión permanece constante. Siel gas se expande lentamente contra ...
Proceso IsovolumétricoProceso Isovolumétrico También llamado proceso isocórico, es aquelen que el volumen permanece const...
Descripción Gráfica deDescripción Gráfica deProcesos TermodinámicosProcesos TermodinámicosABVPAPBPBVAVIsocóricoIsotérmicoI...
Segunda Ley de laSegunda Ley de laTermodinámicaTermodinámica Establece qué procesos de la naturaleza pueden ocurrir ycuál...
 Por ejemplo, cuandoponemos en contacto térmicodos cuerpos a distintatemperatura, sabemos que elcalor fluye del cuerpo co...
 Un proceso es irreversible, si ocurre o seproduce en una sola dirección. Si alguno deestos procesos ocurre en orden temp...
Máquinas TérmicasMáquinas TérmicasUna máquina térmica es cualquierdispositivo que convierte energía térmica en otrasformas...
• Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura.• La máquina realiza un trabajo.• Libera calor a una fuente a temperat...
 La máquina, representada por el círculo en elcentro del diagrama, absorbe cierta cantidadde calor tomado de la fuente a ...
EficienciaEficiencia La eficiencia de una máquina térmica, se definecomo la razón entre el trabajo neto realizado yel cal...
EjerciciosEjercicios Un gas ideal está encerrado en un cilindro que tiene unémbolo móvil en la parte superior. El émbolo ...
 Un gas es comprimido a una presión constante de 0,8 atm de9 L a 2 L. En el proceso, 400 J de energía térmica salen delga...
 Una máquina térmica absorbe 360 J de energía térmica yrealiza 25 J de trabajo en cada ciclo. Encuentre a) laeficiencia d...
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Leyes de la termodinámica

  1. 1. LEYES DE LALEYES DE LATERMODINÁMICATERMODINÁMICAProfesor: Ignacio Espinoza BrazProfesor: Ignacio Espinoza BrazColegio AdventistaSubsector FísicaArica
  2. 2. TermodinámicaTermodinámicaSellamanvariables deestado a lascantidadesquedescriben elestado de unsistema,como laenergíainterna U , lapresión P, elvolumen V,latemperaturaT y la masam o elnúmero demoles n. El estudio de los procesos en los quela energía se transfiere como calor ytrabajo se denomina termodinámica. La termodinámica, en un enfoquemacroscópico, describe el estado deun sistema mediante el uso devariables, conocidas como variablesde estado. El estado macroscópico de un sistemaaislado solo se puede especificar si elsistema está en equilibrio térmicointerno.
  3. 3. Calor y TrabajoCalor y Trabajo El calor se define como una transferencia de energíaprovocada por una diferencia de temperatura. Mientrasque, el trabajo es una transferencia de energía que no sedebe a una diferencia de temperatura.F P A= ×La figura (a) muestra un gas encerrado en uncilindro dotado de un émbolo móvil. El gas estáen equilibrio, ocupando un volumen V yejerciendo una presión uniforme P sobre lasparedes del cilindro y el émbolo. Si el émbolotiene un área A, la fuerza que el gas ejercesobre el émbolo será:
  4. 4.  Si el gas se expande lentamente de manera que elsistema permanezca prácticamente en equilibriotermodinámico en todo momento, entonces, a medidaque el émbolo ascienda una distancia , el trabajo Wrealizado por el gas sobre el émbolo será: Como es el aumento de volumen del gas, sepuede escribir el trabajo W realizado como:y∆W F y P A y= ×∆ = × ×∆W P V= ×∆A y×∆ V∆
  5. 5.  El gas se expande como se muestra en lafigura (b), será positivo y el trabajorealizado por el gas también será positivo. Siel gas se comprime, será negativo y eltrabajo realizado por el gas también seránegativo. En este caso, el trabajo negativo se puedeinterpretar como un trabajo que se realizasobre el sistema. Cuando el volumenpermanece constante, el trabajo realizado poro sobre el sistema será cero.V∆V∆
  6. 6.  El trabajo realizado por un gas cuando pasa de un estado iniciala un estado final depende de la trayectoria seguida entre losdos estados. Se puede observar que el trabajo realizado a lo largo de latrayectoria en cada caso es:a)b) resultado mayor que en a)c) Es un valor intermedio entre los valores obtenidosanteriormente.( )f f iP V V−( )f f iP V V−
  7. 7. Trabajo Realizado por un GasTrabajo Realizado por un Gas El área bajo la curva en el diagrama P v/s Vrepresenta el trabajo realizado por un gas enexpansión.
  8. 8. Primera Ley de laPrimera Ley de laTermodinámicaTermodinámica Se refiere a la conservación de la energía, es decir, aque la energía total en el universo permanece constante,y establece que el cambio en la energía interna de unsistema cerrado, es igual al calor neto Q agregadoal sistema, menos el trabajo neto efectuado por elsistema sobre los alrededores. En donde Q es positivo para el calor agregado o cedidoal sistema y W es positivo para el trabajo realizado por elsistema. Por otra parte, si se realiza trabajo sobre elsistema, W será negativo, y si el calor sale del sistema Q,será negativo.U∆U Q W∆ = −
  9. 9. Procesos TermodinámicosProcesos Termodinámicos Existen distintos procesostermodinámicos que sepueden analizar utilizando laprimera ley de latermodinámica. Eligiendo unsistema simplificado comouna masa fija de un gas idealencerrado en un contenedorcubierto con un émbolomóvil, los procesos son lossiguientes:
  10. 10. Proceso IsotérmicoProceso Isotérmico Es un proceso que se lleva a cabo a temperaturaconstante. Para esto se supone que el gas está encontacto con un depósito de calor, que es un cuerpode masa muy grande, por lo que su temperatura nocambia significativamente cuando intercambia calorcon el sistema. Además se supone que el proceso de aumento(expansión) o disminución (compresión) del volumense realiza muy lentamente, de manera que todo gaspermanece en equilibrio a temperatura constante.
  11. 11.  De acuerdo al gráfico, el gas inicialmente se encuentra en unestado representado por el punto A. Si se agrega al sistemauna cantidad de calor Q, entonces, la presión y el volumencambian y el estado del sistema evolucionará hasta un puntoB. Como la temperatura no varía, el gas debe expandirse yrealizar una cantidad de trabajo W sobre el ambiente (ejerceuna fuerza sobre el pistón y lo desplaza)ABVP
  12. 12.  Al no variar la temperatura, la energía interna nocambia, es decir: De acuerdo a la primera Ley:de manera que W=Q. Esto significa que el trabajo realizado por el gas enun proceso isotérmico es igual al calor entregado algas.0U Q W∆ = − =0U∆ =
  13. 13. Proceso AdiabáticoProceso Adiabático Es un proceso en el cual no se permite flujo de calorhacia el sistema o desde él, por lo que Q=0 Este proceso se puede lograr con un sistema muy bienaislado o que ocurra tan rápido que no alcanza a fluircalor hacia dentro o fuera del sistema. De acuerdo a la primera ley, en una expansiónadiabática,, lo que significa que la energía interna, al igualque la temperatura, disminuye. Al contrario, en unacompresión adiabática se realiza trabajo sobre el gas,por lo que la energía interna aumenta al igual que latemperatura.U W∆ = −
  14. 14. Proceso IsobáricoProceso Isobárico Es aquel en que la presión permanece constante. Siel gas se expande lentamente contra el pistón, eltrabajo realizado por el gas para elevar el pistón será: En este caso, la primera ley establece que: Si el gas se comprime a presión constante, el trabajoserá negativo, lo que indica que se estará realizandotrabajo sobre el gas.W P V= ×∆Q U P V= ∆ + ×∆
  15. 15. Proceso IsovolumétricoProceso Isovolumétrico También llamado proceso isocórico, es aquelen que el volumen permanece constante, porlo cual: Es decir, no se realiza trabajo, por lo tanto:0W P V= ×∆ =Q U= ∆
  16. 16. Descripción Gráfica deDescripción Gráfica deProcesos TermodinámicosProcesos TermodinámicosABVPAPBPBVAVIsocóricoIsotérmicoIsobárico
  17. 17. Segunda Ley de laSegunda Ley de laTermodinámicaTermodinámica Establece qué procesos de la naturaleza pueden ocurrir ycuáles no. Existe más de una forma de enunciar esta ley,en palabras simples podemos decir que el calor jamás fluyeespontáneamente de un objeto frío a un objeto con mayortemperatura. La primera ley niega la posibilidad de que existan procesosen los que no se conserva la energía, pero no imponeninguna restricción respecto a la dirección en que seproduce el proceso, aún cuando la observación defenómenos naturales indica que estos se producen en unsentido determinado y no en el opuesto.
  18. 18.  Por ejemplo, cuandoponemos en contacto térmicodos cuerpos a distintatemperatura, sabemos que elcalor fluye del cuerpo conmayor temperatura al demenor temperatura. Este es el ejemplo de unproceso irreversible.
  19. 19.  Un proceso es irreversible, si ocurre o seproduce en una sola dirección. Si alguno deestos procesos ocurre en orden temporalopuesto, entonces violaría la segunda ley dela termodinámica.
  20. 20. Máquinas TérmicasMáquinas TérmicasUna máquina térmica es cualquierdispositivo que convierte energía térmica en otrasformas útiles de energía, como la energíamecánica y/ó eléctrica, por ejemplo, una máquinade vapor o los motores de los automóviles.La máquina térmica como dispositivopráctico hace que una sustancia de trabajo (comoun gas) recorra un proceso cíclico durante en elcual:
  21. 21. • Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura.• La máquina realiza un trabajo.• Libera calor a una fuente a temperatura más baja.En una máquina térmica, porconservación de la energía se cumpleque:Entonces, el trabajo neto es:C fQ W Q= +C fW Q Q= −
  22. 22.  La máquina, representada por el círculo en elcentro del diagrama, absorbe cierta cantidadde calor tomado de la fuente a temperaturamás alta. Hace un trabajo W y libera calor a la fuentede temperatura más baja. Debido a que lasustancia de trabajo se lleva a través de unciclo, su energía interna inicial y final es lamisma, por lo que:CQfQ0U∆ =
  23. 23. EficienciaEficiencia La eficiencia de una máquina térmica, se definecomo la razón entre el trabajo neto realizado yel calor absorbido durante un ciclo. Una máquina térmica tiene una eficiencia de un100% (e=1) sólo si , es decir, si no selibera calor a la fuente fría y todo el trabajo setransforma en calor.1C f fC C CQ Q QWeQ Q Q−= = = −0fQ =
  24. 24. EjerciciosEjercicios Un gas ideal está encerrado en un cilindro que tiene unémbolo móvil en la parte superior. El émbolo tiene una masade 8000 gr y un área de 5 cm3, y se puede mover librementehacia arriba y hacia abajo, manteniendo constante la presióndel gas. ¿Cuánto trabajo se hace cuando la temperatura de0,2 moles del gas se eleva de 20ºC a 300ºC? (466 J) Calcular la variación de energía interna de un sistema, sirealiza un trabajo de 140[J] sobre su entorno y absorbe 80[J]de calor. El motor de un automóvil nuevo tiene una eficiencia del 25% yproduce un promedio de 2500[J] de trabajo mecánico porsegundo cuando está funcionando. ¿cuál es la producción decalor por segundo de este motor?
  25. 25.  Un gas es comprimido a una presión constante de 0,8 atm de9 L a 2 L. En el proceso, 400 J de energía térmica salen delgas. A) ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas?, b) ¿Cuáles el cambio en su energía interna? (-567 J; 167 J) Un sistema termodinámico experimenta un proceso en elcual su energía interna disminuye 500 J. Si al mismo tiempose hacen 220 J de trabajo sobre el sistema, encuentre laenergía térmica transferida a o desde él. Un gas ideal inicialmente a 300ºK se somete a unaexpansión isobárica a 2500[Pa]. Si el volumen aumenta de 1m3a 3 m3, y se transfieren al gas 12500[J] de energía térmica,calcule a) el cambio en su energía interna, y b) sutemperatura final. (7,5 kJ; 900ºK)
  26. 26.  Una máquina térmica absorbe 360 J de energía térmica yrealiza 25 J de trabajo en cada ciclo. Encuentre a) laeficiencia de la máquina y b) la energía térmica liberadaen cada ciclo. (6,94%; 335J) Una máquina térmica efectúa 200 J de trabajo en cadaciclo y tiene una eficiencia del 30%. En cada ciclo,¿cuánta energía térmica se: a) absorbe y b) libera? El calor que absorbe una máquina es tres veces mayorque el trabajo que realiza. A) ¿Cuál es su eficienciatérmica?, b) ¿qué fracción del calor absorbido es liberadohacia el depósito frio? (0,33; 0,667)

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