TERMODINÁMICA
Concepto:
Concepto: La termodinámica es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivelLa 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 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 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 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- 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 extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes tales como la imantación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de magnitudes tales como la imantación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden ser tratadas por medio de la termodinámica. los medios continuos en general también pueden ser tratadas por medio de la termodinámica. Leyes de la termodinámica
Leyes de la termodinámica Primera le
Primera ley de la termodinámicay de la termodinámica
También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica «en También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica «en realidad el primer principio dice más que una ley de conservación», establece que si se realiza realidad el primer principio dice más que una ley de conservación», establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe cambiará. 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 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 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 motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los do
los dos prims primeros princieros principios de la termodinámpios de la termodinámica. ica. Esta obra fue incomprEsta obra fue incomprendiendi da por los cientda por los cientíífificoscos de su época, y más tarde fue utilizada por Rudolf Loreto Clausius y Lord Kelvin para formular, de de su época, y más tarde fue utilizada por Rudolf Loreto Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las bases de la termodinámica.
una manera matemática, las bases de la termodinámica.
La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente: 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 Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de l
de la forma forma:a:
Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y 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.
W es el trabajo realizado por el sistema. Esta última e
Esta última expresión es igual de frecuente encontrarla en la forma ∆U = Q + W. Ambasxpresión 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 expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia está en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional.
el convenio de signos IUPAC o el Tradicional. Ejercicios TERMODINÁMICA
Ejercicios TERMODINÁMICA 1.
1. En su luna de miel, James Joule viajó de Inglaterra a Suiza. Trató de verificar su idea de laEn su luna de miel, James Joule viajó de Inglaterra a Suiza. Trató de verificar su idea de la convertibilidad entre energía mecánica y energía interna al medir el aumento en convertibilidad entre energía mecánica y energía interna al medir el aumento en
temperatura del agua que caía de una catarata. Si el agua de una catarata alpina tiene una temperatura del agua que caía de una catarata. Si el agua de una catarata alpina tiene una temperatura de 10°C y luego cae 50 m (como las cataratas del Niágara), ¿qué temperatura temperatura de 10°C y luego cae 50 m (como las cataratas del Niágara), ¿qué temperatura máxima podría esperar joule que hubiera en el fondo de las cataratas?
máxima podría esperar joule que hubiera en el fondo de las cataratas? 2.
2. Considere el aparato de joule descrito en la figura 20,1. La masa de cada uno de los dosConsidere el aparato de joule descrito en la figura 20,1. La masa de cada uno de los dos bloques es de 1.5 kg, y el tanque aislado se llena con 200 g de agua. ¿Cuál es el aumento bloques es de 1.5 kg, y el tanque aislado se llena con 200 g de agua. ¿Cuál es el aumento de la temperatura del agua después que los bloques caen una distancia de 3 m?
de la temperatura del agua después que los bloques caen una distancia de 3 m? 3.
3. La temperatura de una barra de plata sube 10°C cuando absorbe 1.23 kj de energía porLa temperatura de una barra de plata sube 10°C cuando absorbe 1.23 kj de energía por calor. La masa de
calor. La masa de la barra es de 525 g. Determinla barra es de 525 g. Determine el e el calor espcalor específico de lecífico de la plata.a plata. 4.
4. Una muestra de 50 gr de cobre está a 25°C. Si 200 j de energía se le agregan por calor,Una muestra de 50 gr de cobre está a 25°C. Si 200 j de energía se le agregan por calor, ¿cuál es la temperatura final del cobre?
¿cuál es la temperatura final del cobre? 5.
5. El láser Nova del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en California, se usa enEl láser Nova del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en California, se usa en estudios para iniciar una fusión nuclear controlada (sección 23.4 del volumen II). Puede estudios para iniciar una fusión nuclear controlada (sección 23.4 del volumen II). Puede entregar una potencia de 1.60 X 10
entregar una potencia de 1.60 X 101313 W durante un intervalo de tiempo de 2.50 ns.W durante un intervalo de tiempo de 2.50 ns. Compare su energía de salida en uno de estos intervalos con la energía necesaria para Compare su energía de salida en uno de estos intervalos con la energía necesaria para hacer que se
hacer que se caliente una olla de té de 0.8 kg de caliente una olla de té de 0.8 kg de agua de 20agua de 20°C a 100°C.°C a 100°C. 6.
6. Una herradura de hierro de 1.5 kg inicialmente a 600°C se deja caer en una cubeta queUna herradura de hierro de 1.5 kg inicialmente a 600°C se deja caer en una cubeta que contiene 20 kg de agua a 25°C. ¿Cuál es la temperatura final? (Pase por alto la capacidad contiene 20 kg de agua a 25°C. ¿Cuál es la temperatura final? (Pase por alto la capacidad calorífica del recipiente, y suponga que la insignificante cantidad de agua se hierve.)
calorífica del recipiente, y suponga que la insignificante cantidad de agua se hierve.) 7.
7. Una taza de aluminio de 200 gr de masa contiene 800 gr. de agua en equilibrio térmico aUna taza de aluminio de 200 gr de masa contiene 800 gr. de agua en equilibrio térmico a 80°C. La combinación de taza y agua se enfría uniformemente de modo que la 80°C. La combinación de taza y agua se enfría uniformemente de modo que la temperatura desciende en 1.5°C por minuto. ¿A qué ritmo se remueve energía por calor? temperatura desciende en 1.5°C por minuto. ¿A qué ritmo se remueve energía por calor? Exprese su respuesta en watts.
Exprese su respuesta en watts. 8.
8. Una moneda de cobre de 3 gr. a 25°C se deja caer 50 m al suelo. (a) Suponiendo que 60 %Una moneda de cobre de 3 gr. a 25°C se deja caer 50 m al suelo. (a) Suponiendo que 60 % del cambio en energía potencial del sistema formado por el centavo y nuestro planeta se del cambio en energía potencial del sistema formado por el centavo y nuestro planeta se va a aumentar la energía interna del centavo, determine su temperatura final. (b) ¿Qué va a aumentar la energía interna del centavo, determine su temperatura final. (b) ¿Qué pasaría si? ¿Este resultado depende de la masa del centavo? Explique.
pasaría si? ¿Este resultado depende de la masa del centavo? Explique. 9.
9. Si se vierte agua con una mSi se vierte agua con una m
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ha una temperatura Ta una temperatura Thhen una taza de aluminio de masa men una taza de aluminio de masa mAlAl
que contiene una masa m que contiene una masa m
ccde agua a Tde agua a Tccdonde Tdonde Thh> T> Tcc¿cuál es la temperatura de equilibrio¿cuál es la temperatura de equilibrio
del sistema? del sistema?
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10.. Un calentador de agua se opera con energía solar. Si el colector solar tiene un área de 6 mUn calentador de agua se opera con energía solar. Si el colector solar tiene un área de 6 m 22 y l
y la intensa intensidad entregada por la lidad entregada por la luz solar es de 550 W /muz solar es de 550 W /m22, ¿cuánto , ¿cuánto tarda tarda en en aumaumentar laentar la temperatura de 1 m