PARTE 3
Calor y Termodinámica
•
Trabajo mecánico
•
Primera ley de la termodinámica
•
Segunda ley de la termodinámica
•
Teorema de Carnot
8.1 - Trabajo Mecánico
•
Puede realizarse trabajo sobre un sistema u obtener trabajo del mismo, de diversas maneras.•
Puede comprimirse un gas o dejar que se expanda mediante un émbolo.•
Adoptaremos la convención de que el trabajo W es positivo cuando es realizado por el sistema.•
Lo más conveniente para desarrollar nuestras ideas es considerar un gas.•
Cuando el émbolo se desplaza una pequeña distancia Δx paralela a la fuerza, el trabajo realizado por el gas es)
(
bien
o
i fV
V
P
W
V
P
x
PA
x
F
W
−
=
Δ
=
Δ
=
Δ
=
Esta ecuación supone un proceso isobárico, es decir, a presión constante
8.2 - Primera ley de la termodinámica
•
La primera ley de la termodinámica expresa la conservación de la energía.W
Q
U
=
−
Δ
•
Q es positivo si entra calor al sistema. W es positivo si es el sistema quien hace trabajo.W
Q
U
=
−
Δ
a) Proceso isotérmico
•
Es un proceso que se realiza a temperatura constante.•
Supongamos que calentamos un gas contenido en un cilindro y a la vez permitimos que el pistón se desplace, realizando trabajo.•
La energía interna de un gas depende solo de la temperatura.molécula
una
de
energía
2
3
2
1
2T
k
v
m
E
C>=
<
>=
B<
W
Q
=
•
Luego, para un proceso isotérmico en un gas idealgas ideal, proceso isotérmico
0
=
Δ
U
W
Q
U
=
−
Δ
a) Proceso adiabático
•
Es un proceso en el que no hay intercambio de calor con el medio exterior.W
U
=
−
Δ
proceso adiabático
8.3 - Segunda ley de la termodinámica
•
La primera “Ley de la Termodinámica” establece que “la energía se conserva”.•
Puesto que la primera ley expresa la conservación de la energía, nos permite comprender el flujo de energía durante un proceso determinado.•
Sin embargo, hay muchos procesos que podemos imaginar en los que se conserva la energía, pero que no se observa su ocurrencia en la naturaleza.•
Ejemplo 1:•
Cuando un objeto caliente se pone en contacto con un objeto frío, el calor fluye del más caliente al más frío, pero “nunca ocurre al revés en forma espontánea”.•
Ejemplo 2:•
Qué sucede cuando dejamos caer una piedra y ésta golpea el suelo?Energía
potencial
inicial
Energía
cinética
al golpear el suelo
Energía interna (energía térmica) de la piedra y del suelo en la vecindad del impacto; las moléculas se mueven más rápido y la temperatura se eleva ligeramente.
•
Nadie ha visto nunca que suceda lo contrario !•
Es decir, que una piedra en reposo en el suelo se eleve repentinamente en el aire debido a que la energía térmica de las moléculas se transforme en energíacinética de la piedra en su conjunto.
a) Forma microscópica de la segunda ley
•
La forma microscópica de la segunda ley se refiere al comportamiento más probable de un gran número de moléculas u otras partículas.•
Dicha ley establece que los sistemas tienden a evolucionar desdeconfiguraciones muy ordenadas, altamente improbables, hacia configuraciones más desordenadas, que son más probables estadísticamente.
•
Dicho de otro modo, los sistemas tienden a estados de máximo desorden o caos molecular.•
La primera ley9
no nos dice cuáles de los procesos que conservan la energía son posibles.9
no nos permite predecir en qué estado se encuentra un sistema en unas determinadas condiciones.•
Por ejemplo, la figura muestra dos maneras de moverse para las moléculas de gas. Ambas figuras muestran un gas con la misma energía interna.•
La fig. 13.5a presenta una situación altamente ordenada. La fig. 13.5b una situación altamente desordenada.•
O sea, es posible imaginar un gran número de figuras parecidas a la 13.5b, pero sólo unas pocas parecidas a la 13.5a.•
Sucede algo análogo en el póker: hay solo unas pocas manos con póker de reyes, pero muchas otras sin ningún valor, de modo que las probabilidades favorecen mucho las manos de este último tipo.b) Forma macroscópica de la segunda ley
•
La forma macroscópica de la segunda ley establece que existe una magnitud, la entropía, que tiende hacia un valor máximo.Procesos reversibles e irreversibles
•
Un proceso reversible es aquel en que se puede hacer que el sistema vuelva a su estado original sin variación neta del sistema ni del medio ambiente.•
Por ejemplo, en ausencia de rozamiento, turbulencia u otros efectos disipativos, la expansión adiabática de un gas es reversible.•
Ello se debe a que una compresión adiabática puede devolver el sistema a su estado inicial.•
La mayoría de los procesos naturales son irreversibles.•
Cuando se transforma calor entre dos objetos a distintas temperaturas,puede hacerse que el calor vuelva al sistema de temperatura más elevada, pero ello requiere un cierto trabajo por parte del medio exterior, es decir, requiere la presencia de un
frigorífico. Por lo tanto el medio
exterior ha de modificarse para poder devolver el sistema a su estado
c) Definición de entropía
T
Q
S
=
Δ
Δ
9
9
Proceso reversibleCuando sale del sistema, 'Q es negativo, y 'S también es negativo
Para cualquier caso, la entropía total del sistema más el medio exterior nunca puede disminuir:
d) Forma macroscópica de la segunda ley
0
)
(
≥
Δ
S
total
=0 para un proceso reversible>0 para un proceso irreversible
Segunda ley de la termodinámica
8.4 - Teorema de Carnot y la conversión de energía
Nació: 1 Jun 1796 en Paris, Francia Murió: 24 Ago 1832 en Paris, Francia
a) Máquina térmica
Es un dispositivo para convertir calor en trabajo útil
b) Teorema de Carnot (1824)
•
El rendimiento de una máquina térmicareversible es menor que el 100%.
•
Las máquinas térmicas reales, tales como los motores de los automóviles, tienen siempre algún rozamiento, y son por lo tanto irreversibles. Sus rendimientos son en consecuencia aún menores.•
El teorema de Carnot demuestra que la conversión de calor en otras formas de energía es cualitativamente diferente de los otros tipos de conversión de energía.entra
que
Calor
efectuado
Trabajo
•
Un péndulo oscilando puede transformar toda su energía potencial mecánica en energía cinética mecánica y viceversa.•
La energía cinética del agua en movimiento en una turbina puedetransformarse en energía eléctrica mediante un generador. Su rendimiento solo está limitado por el rozamiento y la turbulencia, y puede ser bastante alto en la práctica.
•
La energía eléctrica también puede transformarse en energía mecánicamediante un motor. De nuevo no existe un límite teórico para su rendimiento; los rendimientos reales suelen ser de un 90% o más.
•
Es una máquina térmica reversible especial.•
Todos los procesos involucrados son reversibles (dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos).•
Se representa como se muestra en la figura•
Básicamente consiste en tomar calor del foco más caliente a temperatura T2, y convertirlo en trabajo. Este calor no puede ser convertidototalmente en trabajo, aún en el ciclo de Carnot que es reversible. Por lo tanto se cede una cantidad de calor a un foco térmico a una temperatura menor T1.
•
Como el ciclo de Carnot es reversible, el cambio total de entropía del sistema es cero.•
El cambio de entropía de la fuente a temperatura T2 es:c) Máquina de Carnot o ciclo de Carnot
2 2 2
T Q S = − Δ
•
El cambio de entropía de la fuente a temperatura T1 es:1 1 1 T Q S = Δ
•
En un ciclo completo el gas vuelve a su estado original, por lo tanto su cambio de entropía es cero. Luego 0 ) ( 1 1 2 2 21 +Δ = − + =
o bien 2 1 2 1
T
T
Q
Q
=
entra
que
Calor
efectuado
Trabajo
o
rendimient
=
2 1 2 1 2 1 2 21
1
T
T
Q
Q
Q
Q
Q
Q
W
e
=
=
−
=
−
=
−
Como puede observarse, el rendimiento es menor que 1, a no ser que T1 (la temperatura de la fuente más fría) sea cero (cero absoluto), cosa físicamente imposible.
Carnot demostró también que ninguna máquina térmica que opere cíclicamente
Ejemplo:
Una máquina de Carnot trabaja entre 100°C y 0°C. Cuál es su rendimiento?.
268
.
0
373
273
1
1
2
1
