APUNTES FISICA I 3a PARTE

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FENÓMENOS TERMODINÁMICOS

Son aquellos en que se presenta un intercambio de energía en forma de calor. Por ejemplo, la radiación del Sol, el enfriamiento de los alimentos, los cambios de temperatura en el ambiente, etc.

Termodinámica

Es la parte de la Física que estudia los fenómenos relacionados con el calor y su aprovechamiento.

Fuentes de Energía

Son recursos naturales de los cuales se puede extraer energía útil para realizar un trabajo.

La energía presente en los fenómenos termodinámicos se obtiene de fuentes renovables y no renovables. Las primeras pueden utilizarse de manera repetida. Las segundas se aprovechan en forma limitada transformándose para dejar productos indeseables.

Tabla fuentes de energía

Fuentes Característica R NR

Energía fósil

Los combustibles fósiles se pueden utilizar en forma sólida (carbón) o gaseosa (gas natural). Son acumulaciones de seres vivos que vivieron hace millones de años. En el caso del carbón se trata de bosques de zonas pantanosas, y en el caso del petróleo y el gas natural de grandes masas de plancton marino acumuladas en el fondo del mar. En ambos casos la materia orgánica se descompuso parcialmente por falta de oxígeno, de forma que quedaron almacenadas moléculas con enlaces de alta energía.

Energía hidráulica

La energía potencial acumulada en los saltos de agua puede ser transformada en energía eléctrica. Las centrales hidroeléctricas aprovechan energía de los ríos para poner en funcionamiento unas turbinas que arrastran un generador eléctrico.

Energía de la biomasa

La biomasa, desde el punto de vista energético, se considera como el conjunto de la materia orgánica, de origen vegetal o animal, que es susceptible de ser utilizada con finalidades energéticas. Incluye también los materiales procedentes de la transformación natural o artificial de la materia orgánica.

Energía solar La captación de la radiación solar sirve tanto para transformar la energía solar en

calor (térmica), como para generar electricidad (fotovoltaica).

Energía geotérmica

Parte del calor interno de la Tierra (5.000ºC) llega a la corteza terrestre. En algunas zonas del planeta, cerca de la superficie, las aguas subterráneas pueden alcanzar temperaturas de ebullición, y, por tanto, servir para accionar turbinas eléctricas o para calentar.

Energía nuclear

El núcleo atómico de elementos pesados como el uranio, puede ser desintegrado (fisión nuclear) y liberar energía radiante y cinética. Las centrales termonucleares aprovechan esta energía para producir electricidad mediante turbinas de vapor de agua.

Energía gravitacional

La atracción del Sol y la Luna que origina las mareas puede ser aprovechada para

generar electricidad.

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Sistema Termodinámico

Es una región de espacio dentro del cual existen diferentes componentes que interactúan entre sí, intercambiando energía y en ocasiones masa.

Un sistema posee una frontera que lo delimita. Esa frontera puede ser material (por ejemplo, las paredes de un recipiente) o imaginarias (por ejemplo, una sección transversal de un tubo de escape abierto).

Los sistemas termodinámicos se clasifican de acuerdo con el nivel de aislamiento con su entorno.

Sistema Aislado.

Es el que no intercambia ni materia ni energía con su entorno. Ejemplo un gas en un recipiente con paredes aislantes.

Sistema Cerrado

Es el que puede intercambiar energía pero no materia con su entorno. Por ejemplo, un líquido dentro de un recipiente metálico cerrado.

Sistema Abierto

Intercambia materia y energía con su entorno. Por ejemplo, el motor de un automóvil.

Transformación en un sistema termodinámico

Se presenta cuando ocurre un cambio en la magnitud de las variables termodinámicas (Presión, Volumen, Temperatura) desde un estado inicial hasta un estado final)

Las transformaciones pueden ser reversibles e irreversibles.

Calor (Q)

Es una forma de energía en tránsito.

Unidades: Sistema Internacional: Joule (J)

Otros sistemas: Caloría (cal), Kilocaloría (Kcal), Unidad Térmica Británica (BTU)

1 J = 0.42 Calorías 1 J = 0.00094 BTU

Principios de la Termodinámica.

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Principio Cero de la Termodinámica

Si dos sistemas con distinta temperatura están en contacto, alcanzan la misma temperatura. Esto se denomina equilibrio térmico.

Temperatura

Es la medición del nivel de energía de una sustancia.

La temperatura se mide con un termómetro cuyo principio de funcionamiento es el equilibrio térmico. Un termómetro común es un tubo transparente con una sustancia en su interior. Al contacto con un objeto o sustancia la energía que recibe o cede hace variar el volumen de la sustancia en el

termómetro al separar o contraer la sustancia entre sus moléculas.

Escalas de Temperatura

Las escalas de medición de temperatura son: Relativas y Absolutas.

Escalas Relativas de Temperatura: Celsius y Fahrenheit

Escala Celsius

Utiliza como referencia el cero el momento en que el agua cambia de fase líquida a sólida y el 100 al punto en que el agua cambia de fase líquida a gas. Entre ambos puntos hay 100 divisiones, siendo cada una un grado Celsius (1°C).

Escala Fahrenheit

Se considera el cero al punto de congelación de una solución de agua con sal y el 96 a la

temperatura del cuerpo humano. Entre ambos puntos hay 96 divisiones siendo cada una un grado Fahrenheit (1°F).

Escalas Absolutas de Temperatura: Kelvin y Rankine

Escala Kelvin

Corresponde en magnitud cada grado Celsius a un Kelvin (1K). El cero Kelvin es el punto en que cesa la actividad molecular, llamado Cero Absoluto.

Escala Rankine

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( t

- 32 )

t

= ( t

x 1.8 ) + 32 t

= --- T

= t

+ 273 T

= t

+ 460

1.8

t f = temperatura relativa en grados Celsius (°C)

t f = temperatura relativa en grados Fahrenheit (°F)

TK = temperatura absoluta en Kelvin (K)

TR = temperatura absoluta en Rankine (R)

Convertir 60°C a °F

t f = ( t c x 1.8 ) + 32

t f = ( 60 x 1.8 ) + 32 = 140 60°C = 140°F

Ejercicios. Tema: Temperatura. Convertir:

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Energía Interna (U)

Es la suma de las energías cinética y potencial moleculares. Cualquier sustancia está constituida por moléculas, las cuales tienen energía cinética por estar en movimiento y energía potencia que las mantiene unidas. Cuando se le suministra energía en forma de calor, aumenta su velocidad y su separación aumentando su energía interna.

Energía Térmica

Es la energía que contiene una sustancia por la diferencia de energía interna.

Calor Específico (c)

Es la cantidad de calor que debe fluir para cambiar en un grado de temperatura de una unidad de masa de una sustancia.

Q J J Cal k Cal c = --- c = Calor específico ( --- , --- , --- , --- ) m t kg °C kg K g °C g °C

Q = Calor (J, Cal, k Cal) Q = c m t m = masa (kg, g)

t = t f – t i = variación de temperatura (°C, K) t f = Temperatura final

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Ejemplos

1. ¿Cuánto calor se requiere para elevar la temperatura de 2 kg de alcohol (c = 2500 J/kg °C) de 15°C a 37°C?

Q = ¿? Q = c m t  Q = c m (t f – t i) m = 2 kg

t f = 37°C Q = (2500 J/kg °C) (2 kg) (37°C – 15°C)  t i = 15°C

c = 2500 J/kg °C Q = 110000 J

2. Se tiene 400 g de cobre (cc = 390 J/kg°C) a 70°C los cuales se agregan a 1 kg de agua (ca = 4186

J/kg °C) a 20°C. ¿Cuál será la temperatura que alcancen ambos cuando alcancen el equilibrio térmico?

Cobre Calor cedido por el cobre = Calor recibido por el agua c c = 390 J/kg °C

t ic = 70°C Qc = - Qa m c = 400 g = 0.4 kg

c c m c t = - c a m at Agua

c a = 4186 J/kg °C c c m c ( t fc - t ia ) = - c a m a ( t fa – t ia ) t ia = 20°C

m a = 1 kg Equilibrio térmico t fc = t fc = t f c c m c ( t f - t ia ) = - c a m a ( t f – t ia )

(390 J/kg °C)(0.4 kg)( t f – 70°C ) = - (4186 J/kg °C)(1 kg)( t f – 20°C) (156 J/°C)( t f – 70°C ) = - (4186 J/°C)( t f – 20°C)

(156 J/°C)( t f ) – 10920 J = - (4186 J/°C)( t f ) + 83720 J (156 J/°C)( t f ) + (4186 J/°C)( t f ) = 83720 J + 10920 J

(4342 J/°C)( t f ) = 94640 J 94640 J

t f = --- = 21.79°C 4342 J/°C

Ejercicios. Tema: Calor específico

1. Determinar el calor específico de una sustancia cuya masa es de 800 g si al suministrarle 2000 Calorías su temperatura cambia de 18°C a 25°C.

2. Se tiene 300 g de un metal a 60°C. Posteriormente se sumerge en 3 kg de agua (ca = 4186 J/kg

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Actividad experimental. Tema: Calor Específico

Objetivo. Determinar experimentalmente el calor específico de un metal.

Material. 1 Balanza, 1 Vaso de Poliestireno (Unicel) de 300 ml, 1 Vaso de precipitados de 50 ml, 1 Termómetro, Cuerda. 1 Barra de metal (cobre, aluminio, Latón, Hierro, Cinc).

Procedimiento

1. Medir la temperatura de 100 ml de agua en el vaso de Poliestireno (unicel). 2. Medir la masa del agua del punto anterior.

3. Medir la masa de la barra de metal.

4. Atar con la cuerda la barra de metal, colocarla en el vaso de precipitados con agua caliente y medir su temperatura.

5. Sacar la barra de metal utilizando el hilo, depositarla en el vaso de unicel y medir la temperatura cuando alcance el equilibrio térmico.

6. Calcular el calor específico del metal y comparar con el valor mostrado en tablas.

Cuestionario de la actividad

1. ¿Se podría calcular el calor específico del metal si inicialmente tiene la misma temperatura que el agua?

2. ¿Se trasfiere más calor si el metal tiene mayor calor específico?

3. ¿Para qué se utiliza el vaso de Poliestireno (unicel) y no un recipiente metálico?

Calor Latente

Es la energía requerida por una sustancia para cambiar su estado o fase.

Calor Latente de Vaporización (Hv)

Es la energía necesaria para cambiar una unidad de masa de una sustancia de la fase líquida a vapor.

Q = m Hv Hv = Calor Latente de Vaporización (J/kg)

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Calor Latente de Fusión (Hf)

Es la energía necesaria para cambiar una unidad de masa de una sustancia de la fase sólida a líquida.

Q = m Hf Hf = Calor Latente de Fusión (J/kg)

Tabla de calores latentes

Ejemplo

¿Cuánto calor se libera de 50 g de agua cuando cambia de sólido a líquido y de líquido a vapor?

Hf = 80 Cal/g Q = m Hf Q = (50 g)(80 Cal/g) = 4000 Cal

Hv = 540 Cal/g

m = 50 g Q = m Hv Q = (50 g)(540 Cal/g) = 27000 Cal

Q = ¿?

Ejercicio. Tema: Calor latente

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Transferencia de Calor

El calor es una forma de energía en tránsito. Esto ocurre siempre que exista una diferencia de temperatura entre dos puntos. Dicho calor fluye del punto de mayor al de menor temperatura.

Hay tres formas por las cuales se lleva a cabo la transferencia de calor: Radiación, Convección y

Conducción.

Radiación

Es el proceso mediante el cual se transfiere calor mediante ondas electromagnéticas.

Convección

Es el fenómeno por el cual el calor se transfiere por medio del movimiento de la masa de un fluido.

Conducción

Es el proceso por el cual el calor se transfiere mediante el contacto de moléculas adyacentes que constituyen el material.

Conducción de calor

En este proceso el calor fluye a través de un medio material en la dirección del punto de mayor al de menor temperatura. La rapidez con que dicho calor fluye depende de una propiedad llamada

conductividadtérmica (k). Cuando el valor de la conductividad es alto, el material es buen

conductor del calor. En algunas aplicaciones se requiere que el calor tarde más tiempo en fluir de un punto a otro por lo que se utilizan materiales con un valor bajo de conductividad térmica. Estos materiales son llamados aislantes térmicos. Los mejores aislantes térmicos son el aire, el corcho, la fibra de vidrio, Poliestireno (Unicel), etc.

Para medir el paso de calor a través de una barrera como la pared de una habitación, una hielera, el vidrio de una ventana, etc. Se considera lo siguiente.

Q = Calor transferido ( J ) Q k A t  L = Espesor (m)

Q = --- A = Área (m2)

L t = Temperatura mayor (°C) t’ = Temperatura menor (°C)

 = Tiempo (segundo = s)

Q t’ k = Conductividad Térmica (J/m s °C) t

10 Cuando una barra conduce el calor se utiliza la ecuación anterior considerando L = longitud de la barra y A = área de su sección transversal.

A BARRA

Q Q

L

Ejemplo

¿Cuánto calor pasa durante una hora a través de una pared de ladrillos (k = 0.7 J/m s °C) de 8 m2 y

un espesor de 10 cm si en un extremo la temperatura es de 150°C y en el otro 30°C?

k = 0.7 J/m s °C

L = 10 cm = 0.1 m k A  t   = 1 hr = 3600 s Q = --- t = 150°C L

t’ = 30°C

A = 8 m2 (0.7 J/m s °C)(8 m2)(150°C – 30°C)(3600 s)

Q = ¿? Q = --- = 24 192 000 J 0.1 m

Ejercicios. Tema: Transferencia de calor

1. ¿Cuánto calor se transfiere durante 15 minutos por una varilla de latón (k = 109 J/m s °C) de 20 cm de longitud y 4 cm de diámetro si la temperatura en un extremo es de 80°C y en el otro 20°C?

2. ¿Cuánto tiempo le tomará en fluir 800 000 J a través de una ventana de vidrio (k = 0.8 J/m s °C) de 1 m de ancho, 1.5 m de alto y 5 mm de espesor, cuando la temperatura en un extremo es de 20°C y en el otro - 5°C?

3. Un recipiente de aluminio (k = 205 J/m s °C) tiene un área total de 0.2 m2. En un extremo la

temperatura es de 80°C y en el otro 40°C, ¿cuál será el espesor si transfiere 1000 000 J en 30 minutos?

Actividad Experimental. Tema: Transferencia de calor.

Objetivo. Comprender la relación entre la conductividad térmica y la transferencia de calor.

Material: Varillas de diferentes materiales (cobre, hierro, vidrio), vela, plastilina, tabla de madera.

Procedimiento:

1) Colocar verticalmente la tabla y fijar con plastilina las varillas.

2) Colocar la vela encendida en el extremo opuesto de las varillas y observar el orden en que se desprenden de la tabla.

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Cuestionario de la actividad

1. ¿Por qué se desprenden las varillas de la tabla?

2. ¿Por qué no se desprenden simultáneamente las varillas de la tabla para la misma cantidad de

calor?

3. ¿Qué utilidad práctica tiene el conocer la conductividad térmica de los materiales?

Estados de la materia

De manera natural en la Tierra la materia se encuentra en tres estados dependiendo de su actividad molecular: Sólido, Líquido y gas.

Gas

Es un estado de la materia que se caracteriza porque sus moléculas están muy separadas unas de otras, razón por la cual carecen de forma definida. De acuerdo con la teoría cinética molecular, los gases están constituidos por moléculas independientes como si fueran esferas elásticas en constante movimiento chocando entre sí y contra las paredes del recipiente que lo contiene.

Gas ideal

Es un gas hipotético que posibilita hacer consideraciones prácticas que facilita el análisis de las variables termodinámicas.

Procesos Termodinámicos

Para el estudio del comportamiento de los gases en los sistemas termodinámicos se consideran los cambios en las variables Presión, Volumen, Temperatura y Masa.

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Temperatura absoluta

Es aquella cuyo punto inferior es el cero absoluto. Esta temperatura se utiliza en cada una de las leyes de los gases.

T K = t c + 273 T K = Temperatura absoluta (K) t c = Temperatura relativa (°C) Presión

Es la fuerza por unidad de área perpendicular.

Presión atmosférica (Patm)

Es la presión ejercida por el peso de una columna de aire ejercida en un área perpendicular sobre la superficie de la Tierra.

Patm = 101 300 Pa

Presión manométrica (Pman)

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Presión absoluta

Es la suma de la presión atmosférica más la presión manométrica.

P = Patm + P man

Leyes de los gases

Considerar un gas dentro de un recipiente cilíndrico con un émbolo o tapa móvil que se desplaza en su interior.

Ley de Boyle.

A temperatura constante, el volumen del gas varía de manera inversamente proporcional a la presión absoluta.

P1 V1 = P2 V2

V1 = Volumen inicial (m3, cm3, lt, etc.) V2 = Volumen final

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Ejemplo

Un cilindro de una compresora mantiene un volumen de 0.05 m3 cuando la presión en su interior es

200 000 Pa. ¿Cuál será el volumen del gas si la presión en el interior del cilindro aumenta a 500 000 Pa?

V1 = 0.05 m3 V2 = ¿?

P = P man + P atm

P1 = 200 000 Pa (manométrica)  P1 = 200 0000 Pa + 101 300 Pa = 301 300 Pa

P2 = 500 000 Pa (manométrica)  P2 = 500 000 Pa + 101 300 Pa = 601 300 Pa

P1 V1 = P2 V2

P1 V1 (301 300 Pa) (0.05 m3)

V2 = --- V2 = --- = 0-025 m3 P2 601 300 Pa

Ley de Charles

En un proceso donde la presión es constante, el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

V1 V2

- --- = ---

T1 T2 V1 = Volumen inicial (m3, cm3, lt, etc.)

V2 = Volumen final

T1 = Temperatura absoluta inicial (K) T = t (°C) + 273

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Ejemplo

El cilindro del motor de un automóvil contiene un gas. Cuando la temperatura es de 50°C el volumen

es de 0.03 m3. ¿Cuál será el volumen final cuando la temperatura sea 180°C?

V1 = 0.03 m3 V1 V2 V2 = ¿? --- = --- T1 = 50°C + 273 = 323 K T1 T2

T2 = 180°C + 273 = 453 K

V1 T2 (0.03 m3)(453 K)

V2 = --- V2 = --- = 0.042 m3 T1 323 K

Ley de Gay Lussac

Si el volumen de un gas se mantiene constante la presión absoluta es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

P1 P2 --- = --- T1 T2

P1 = Presión absoluta inicial (Pa) P2 = Presión absoluta final (Pa)

T1 = Temperatura absoluta inicial (K)

T2 = Temperatura absoluta final (K)

Ejemplo

Un gas dentro de un recipiente cerrado tiene una presión de 250 000 Pa a 50°C. ¿A qué temperatura la presión en el interior aumentará a 500 000 Pa?

P1 = 250 000 Pa + 101 300 Pa = 351 300 Pa P1 P2 P2 = 500 000 Pa + 101 300 Pa = 601 300 Pa --- = --- T1 = 50°C + 273 = 323 K T1 T2 T2 = ¿?

P2 T1 (601 300 Pa)(323 K)

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Ley General de los Gases

Para una masa dada de un gas su relación PV/T es constante.

P1 V1 P2 V2

- --- = ---

T1 T2 P1 = Presión absoluta inicial (Pa)

P2 = Presión absoluta final (Pa)

T1 = Temperatura absoluta inicial (K)

T2 = Temperatura absoluta final (K)

V1 = Volumen inicial (m3, cm3, lt, etc.) V2 = Volumen final

Ejemplo

Una masa de hidrógeno ocupa un volumen de 2 litros a 38°C y presión absoluta de 696 000 Pa. ¿Cuál será su presión absoluta si su temperatura aumenta a 60°C para un volumen de 2.3 litros?

P1 = 696 000 Pa P1 V1 P2 V2 P2 = ¿? --- = --- T1 = 38°C + 273 = 311 K T1 T2

T2 = 60°C + 273 = 333 K

V1 = 2 lt

V2 = 2.3 lt P1 V1 T2 (696 000 Pa)(2 lt)(333 K)

P2 = --- P2 = --- = 648030.19 Pa V2 T1 (2.3 lt)(311 K)

Ejercicios. Tema: Procesos termodinámicos

1. Un gas ocupa un volumen de 200 cm3 a una presión manométrica de 760 000 Pa. ¿Cuál será su

volumen si la presión aumenta a 900 000 Pa?

2. Se tiene 70 cm3 un gas a 25°C. ¿Qué volumen tendrá a 0°C?

3. Una masa de un gas a 33°C tiene una presión absoluta de 230 000 Pa. Si el volumen permanece constante ¿cuál será su presión si la temperatura aumenta a 75°C?

4. Determinar el volumen inicialmente ocupado por un gas a 26°C y presión absoluta de 840 000 Pa si a 57°C y presión absoluta de 970 000 Pa su volumen es de 0.5 litros.

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Actividad Experimental. Tema: Procesos Termodinámicos

Objetivo. Comprobar experimentalmente un proceso termodinámico (Proceso a presión constante)

Material: 1 jeringa de 10 cm3 con tapón, 1 soporte con pinza, 1 Termómetro, 1 vaso de precipitados de 300 ml, 1 fuente de calor, agua.

Procedimiento:

1. Depositar 3 cm3 de aire en la jeringa y tapar con el tapón.

2. Sujetar con la pinza al soporte la jeringa y sumergirla en el vaso de precipitados con agua. 3. Medir la temperatura del agua.

4. Calentar el agua a 70°C y medir el volumen de aire en la jeringa.

5. Aplicar la ley de Charles calculando el volumen final y comparar con el obtenido experimentalmente.

Cuestionario de la actividad

1. ¿Por qué varía el volumen del gas?

2. ¿Por qué se considera constante la presión? 3. ¿En qué situación práctica se aplica este proceso?

Trabajo termodinámico

Es el que realiza la masa de un gas en el sistema cuando su volumen cambia.

Considerar un gas dentro de un cilindro con émbolo. Al aumentar la temperatura, aumenta el volumen ocasionando un movimiento en el émbolo realizando un trabajo.

W = Trabajo (J) P = Presión (Pa)

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Ejemplo

Calcular el trabajo realizado por un gas dentro de un cilindro si al cambiar su volumen de 500 cm3 a

800 cm3 produce una presión de 2.5 x 105 Pa.

W = ¿?

1 x 10-6 m3

V1 = 500 cm3 x --- = 5 x 10 - 4 m3 W = P (V2 – V1) 1 cm3

V2 = 800 cm3 = 8 x 10 - 4 m3 W = 2.5 X 105 Pa (8 X 10 - 4 m3 – 5 X 10- 4 m3) = 75 J P = 2.5 x 105 Pa

Primer Principio de la Termodinámica

La variación de energía interna de un sistema es igual a la energía transferida en forma de calor menos el trabajo realizado.

U2 U= U2 – U1 U1

U = Q - W

U = Variación de la energía interna (J)

Q = Calor (J) W = Trabajo (J)

Ejemplo

Determinar la variación de la energía interna de un sistema al recibir 500 Calorías realiza un trabajo de 800 J.

4.2 J

Q = 500 Cal x --- = 2100 J U = Q – W U = 2100 J – 800 J = 1300 J 1 Cal

W = 800 J

Ejercicio. Tema: Primer principio de la Termodinámica

1. ¿Cuánto calor debe suministrar a un sistema para que realice un trabajo de 900 J cuando varíe su energía interna en 200 J?

Segundo Principio de la Termodinámica

 El calor no puede por sí mismo, sin la intervención de un agente externo, pasar de un cuerpo de

menor temperatura a otro de mayor temperatura.

 Es imposible construir una máquina térmica que transforme en trabajo todo el calor que se le

suministra.

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Entropía

Es una magnitud física utilizada por la Termodinámica para medir el grado de desorden de la materia.

En un sistema, la entropía dependerá de su energía térmica y de la distribución de sus moléculas. En un sólido el nivel de entropía es menor que en un líquido por el orden de sus moléculas. Este a su vez tiene menor entropía respecto a un gas. Cuando el líquido es calentado las moléculas aumentan su movimiento y con ello su desorden.

La termodinámica, fija su atención en el interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro y tiene sus propias leyes.

Uno de los soportes fundamentales del segundo principio de la Termodinámica es la función

denominada entropía que sirve para medir el grado de desorden dentro de un proceso y permite

distinguir la energía útil, que es la que se convierte en su totalidad en trabajo, de la inútil, que se pierde en el medio ambiente.

La palabra entropía fue utilizada por Clausius en 1850 para calificar el grado de desorden de un sistema. Por tanto el segundo principio de la termodinámica está diciendo que los sistemas aislados tienden al desorden, a la entropía.

Este desorden se grafica en la mayor o menor producción de energía disponible o no disponible, y sobre esta base, también podemos definir la entropía como el índice de la cantidad de energía no disponible en un sistema termodinámico dado en un momento de su evolución.

Según esta definición, en termodinámica hay que distinguir entre energía disponible o libre, que puede ser transformada en trabajo y energía no disponible o limitada, que no puede ser transformada en él.

Para comprender conceptualmente lo dicho, analicemos el ejemplo de un reloj de arena, que es un sistema cerrado en el que no entra ni sale arena.

La cantidad de arena en el reloj es constante; la arena ni se crea ni se destruye en ese reloj. Esta es la analogía de la primera ley de la termodinámica: no hay creación ni destrucción de la materia-energía.

20 La arena de la cavidad superior (la menor entropía) es capaz de hacer un trabajo mientras cae, como el agua en la parte superior de una catarata. La arena en la cavidad inferior (alta entropía) ha agotado su capacidad de realizar un trabajo. El reloj de arena no puede darse la vuelta: la energía gastada no puede reciclarse, a menos que se emplee más energía en ese reciclaje que la que será desarrollada por la cantidad reciclada.

Ejemplos de procesos irreversibles pueden ser: la descomposición radioactiva, la fricción o la viscosidad que modera el movimiento de un fluido. Todos estos procesos poseen una dirección privilegiada en el tiempo, en contraste con los procesos reversibles.

Precisamente, la distinción entre procesos reversibles e irreversibles la introduce en termodinámica el concepto de entropía, que Clausius asocia ya en 1865 al “segundo principio de la termodinámica”.

Todos hemos visto alguna vez un plato que se cae desde una mesa y se hace añicos contra el suelo. Lo que antes estaba ordenado en una única pieza de porcelana, se convierte en una multitud de fragmentos desordenados. Pero la situación contraria, la recomposición de un plato a partir de sus fragmentos de manera espontánea, al menos que se sepa, no la ha visto nadie.

La ruptura del plato es un suceso natural e irreversible, una secuencia temporal adecuada; su recomposición, en cambio, no lo es. Es la evolución natural del orden al desorden o, en términos científicos, la natural tendencia del Universo a aumentar su entropía.

Todos tenemos una cierta idea, intuitiva, de lo que significa orden y desorden, pero desconocemos que el paso de una situación a la otra implica, de forma indefectible, el final de todo movimiento, la muerte del Universo.

Tercer Principio de la Termodinámica

La entropía de un sólido cristalino puro y perfecto puede tomarse como cero a la temperatura del cero absoluto (0K).

El tercer principio de la termodinámica afirma que el cero absoluto no puede alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él. En el cero absoluto el sistema tiene la mínima energía posible (cinética más potencial).

El concepto de un cero absoluto de temperatura surgió por vez primera en relación con experimentos con gases; cuando se enfría un gas sin variar su volumen, su presión decrece con la temperatura. Aunque este experimento no puede realizarse más allá del punto de condensación del gas, la gráfica de los valores experimentales de presión frente a temperatura se puede extrapolar hasta presión nula. La temperatura a la cual la presión sería cero es el cero absoluto de temperatura.

Posteriormente se demostró que este concepto deducido experimentalmente era consistente con las definiciones teóricas del cero absoluto.

Los átomos y moléculas de un objeto en el cero absoluto tendrían el menor movimiento posible. No estarían completamente en reposo, pero no podrían perder más energía de movimiento, con lo que no podrían transferir calor a otro objeto.

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Máquinas térmicas

Una máquina térmica es un dispositivo que convierte la energía en forma de calor en trabajo mecánico. Se clasifican en:

 Máquinas de vapor.

 Motores de combustión interna

 Motores de reacción

Máquinas de vapor

En estas, una cantidad de agua en estado líquido se transforma en vapor al calentarse

expandiéndose en un cilindro con émbolo. El movimiento del émbolo se transmite a una rueda convirtiendo el movimiento alternativo en movimiento giratorio.

Motor de combustión interna

Se llama así porque el combustible se quema dentro del motor donde realiza su función. Este

dispositivo aprovecha la expansión de los gases producidos por la combustión de una mezcla de aire y combustible dentro de un cilindro. El gas empuja un émbolo cuyo movimiento alternativo se

convierte en movimiento circular.

Son de diferentes tipos, uno de los más utilizados es el de cuatro tiempos. En cada tiempo se realiza una parte del ciclo. Estos son:

1. Admisión. El émbolo se mueve hacia abajo permitiendo la entrada de la mezcla de aire y combustible.

2. Compresión. El émbolo se desplaza hacia arriba comprimiendo la mezcla de aire y combustible. 3. Explosión-Expansión. Una chisa enciende la mezcla produciendo una expansión del gas

empujando el émbolo.

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Motores a reacción

En estos un fluido descargado a gran velocidad produce un empuje de acuerdo a las leyes de Newton. Los más usados son los turborreactores y los cohetes.

Eficiencia de las máquinas térmicas

De acuerdo con el segundo principio de la Termodinámica es imposible construir una máquina térmica que transforme en trabajo todo el calor suministrado. Esto es, la eficiencia de una máquina térmica nunca podrá ser del 100%. Esto se debe a que una parte del calor suministrado se convierte en trabajo y otra parte se desaprovecha conduciéndose a medio externo mediante los gases de combustión así como la radiación del calor y la fricción entre las partes en movimiento.

Eficiencia

Es la relación entre el trabajo mecánico y la cantidad de calor que se le suministra.

W

E = --- x 100 Qe

W = Qe - Qs Qe

Ts

W E = ( 1 - --- ) x 100 Te

Qs

E = Eficiencia (%) W = Trabajo (J)

Qe = Calor de entrada (J) Qs = Calor de salida (J)

Te = Temperatura en la fuente caliente (K)

Ts = Temperatura en la fuente fría (K)

Ejemplo

¿Cuál es la eficiencia de una máquina térmica si se le suministra 1 x 107 J y emite 6 x1 05 J de calor

al medio?

Qe = 1 x 107 J W = Qe – Qs W = 1 x 107 J – 6 x 105 J = 9.4 x 106 J

Qs = 6 x 105 J

E = ¿?

W 9.4 x 106 J

E = --- x 100 E = --- x 100 = 94% Qe 1 x 107 J

Depósito o Fuente caliente

Te

Máquina Térmica

Depósito o Fuente fría

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Ejercicios. Tema: Eficiencia térmica

1. Calcular la eficiencia de una máquina térmica a la cual se le suministra 5.8 x 108 Cal realizando un trabajo de 6.09 J. (1 Cal = 4.2 J)

2. Calcular el trabajo que produce una máquina térmica cuya eficiencia es 22% al suministrarle 4.5x103 Calorías de calor.

3. En una máquina térmica se emplea vapor por una caldera a 240°C, mismo que después de ser utilizado para realizar trabajo es expulsado al ambiente a una temperatura de 110°C. Calcular la eficiencia máxima de la máquina.

4. Determinar la temperatura de la fuente fía en una máquina térmica cuya eficiencia es de 33% y la temperatura en la fuente caliente es de 560°C.

Impacto ecológico de las máquinas térmicas

El progreso de nuestra sociedad no sería posible sin los diferentes tipos de máquinas térmicas. Gracias a su uso, nos trasladamos por tierra, mar y aire. Sin embargo, las máquinas térmicas requieren el uso de diferentes fuentes de energía lo que provoca la contaminación del medio ambiente.

Al aire, emite sustancias nocivas que contribuyen a la contaminación. Estas provienen de la combustión de combustibles fósiles.

El impacto de las principales fuentes de energía

Fuente de energía Impacto ambiental y social Fase de utilización de la fuente

Combustibles fósiles

Contaminación del suelo. Contaminación atmosférica Contaminación del agua Lluvia ácida

Contaminación urbana (niebla fotoquímica)

Mareas negras

Aumento del efecto invernadero Disminución recursos pesqueros Graves molestias a poblaciones locales

Violación derechos humanos

Exploraciones petrolíferas, Extracción, Refinación, Transporte, Combustión

Nuclear

Contaminación del aire Contaminación del suelo y aguas subterráneas Envenenamiento radioactivo Producción de residuos de alto riesgo

Extracción de uranio,