Introducción a la

DEFINICIONES Termodinámica: Rama de la

mecánica teórica que estudia la transformación del movimiento en calor y viceversa. No sólo se preocupa de la velocidad de difusión del calor, también, a través de ecuaciones cuánticamente descriptivas, de los cambios físicos o químicos producidos.

Sistema (Termodinámico):  región restringida, no necesariamente de volumen constante o fija en el espacio, en donde se puede estudiar la transferencia y transmisión de masa y energía. Todo sistema tiene límites que pueden ser reales o imaginarios. 

Variables Termodinámicas: O coordenadas del sistema, son aquellas que definen estado (conjunto de propiedades que caracterizan al sistema). Existen dos tipos: a) Variables físicas: Las fundamentales

son Presión (P), Volumen (V) y Temperatura (T);

b) Variables Químicas: Usualmente se utilizan los números de moles de cada componente. En rigor, a la termodinámica le interesan más los potenciales químicos.

Escala FahrenheitLa escala Fahrenheit, llamada así en honor al físico Daniel Gabriel Fahrenheit, fue utilizada en la mayoría de los países de habla Inglesa, hasta la década de 1970, cuando la mayoría de los países cambiaron a la escala Celsius. Esta escala cuenta con un punto de ebullición del agua de 212 F y un punto de congelación del agua de 32 F. El cero absoluto tiene un valor de -459,67 F. El único punto en la escala de temperatura Fahrenheit y Celsius a la que Fahrenheit y Celsius se igualan entre sí es en el -40 F y, por lo tanto, es también -40 CConversión de grados Fahrenheit  a grados Centígrados:°C=5/9(°F-32) Ejemplo 1: Convertir 100°F a grados centígrados:°C= 5/9 (°F-32) = 5/9 (100-32) = 5/9 (68) = 5 x 68 / 9 = 37.77°C

Escala CelsiusLa escala Celsius o centígrados, recibió su nombre en honor al astrónomo Andrew Celsius. Esta escala fue la norma en la ciencia, incluso antes de su prominencia después de 1970. El valor Celsius para el cero absoluto es -273,15 C. Para convertir de Celsius a Fahrenheit se requiere multiplicar el valor en grados Celsius por 9/5 o 1,8 y sumar 32.

Ejemplo 2: Convertir 100°C a grados Fahrenheit

°F = 1.8 °C + 32  =  1.8 (100) + 32  =  180 + 32 = 212°F

Escala KelvinLa escala Kelvin fue nombrada en honor al físico William Thomson, barón Kelvin. . La unidad de medida estándar de temperatura termodinámica, Kelvin, generalmente se escribe sin un símbolo de grado entre los números y la K. El agua hierve a 373,15 K y se congela a 273,15 K. La conversión de Celsius a Kelvin requiere la suma de 273,15 a la lectura Celsius. Para convertir de grados Kelvin y Celsius sólo exige restar 273.15 de la lectura Kelvin.

°C= °K - 273.15 Ejemplo 4: Convertir 50 grados Kelvin a grados Centígrados°C= °K - 273.15 = 50 - 273.15 = -223°C

Escala RankineComo Kelvin, Rankine es una escala termodinámica, es decir, el cero absoluto es igual a cero. La escala tiene un punto de ebullición del agua de 671,67 R y un punto de congelación del agua de 491,67 R. Para convertir de Rankine a Centigrados:

CAPACIDAD CALORIFICA es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un

proceso cualquiera y el cambio de temperatura que

experimenta

Energía necesaria para aumentar la temperatura de una determinada sustancia

en una unidad de temperatura

Medida De La Capacidad Calorífica

La capacidad calorífica es un valor característico de los

cuerpos, y está relacionado con otra magnitud fundamental de la

calorimetría, el calor específico.

Calor Especifico

EJERCICIO DE CAPACIDAD CALORIFICADos cuerpos se elevan su temperatura en

la misma cantidad, pero para hacerlo, el primero requiere el doble de la cantidad de calor que toma el segundo.

¿ Cuanto es la relacion entre el calor que toma el primer cuerpo y el que toma el segundo para que este cuerpo eleve su temperatura en una cantidad doble que el primero?

La primera ley de la termodinámica 

establece que  la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. Entonces esta ley expresa que, cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico, el calor cedido por el sistema será igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa.

Es decir Q = W, en que Q es el calor suministrado por el sistema al medio ambiente y W el trabajo realizado por el medio ambiente al sistema durante el ciclo.

Esta ley se expresa como: Eint = Q - W Cambio en la energía interna

en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W)

SISTEMA

∆ Q

∆ W

Ejemplo Determina el cambio de energía interna que expresa

un sistema de vapor de agua cuando recibe 6 000 joule en forma de calor y a su vez realiza un trabajo de 1200 joule

SISTEMA

Q= 6,000 J W= 1,200 J

Q= ∆U+W ∆U= Q+W

∆U= 6000-1200∆U= 4000 JOULE

EJEMPLO

Un sistema realiza un trabajo de 3540 joule y se suministra 2300 joule de calor ¿Cuál es la variación de energía interna del sistema?

SISTEMA

Q= 2300 J W= 3540 J

Q= ∆U+W ∆U= Q+W

∆U= 2300-3540∆U= -1240 JOULE

Segunda Ley de la Termodinámica

La definición formal establece que:En un estado de equilibrio, los valores que toman los parámetros característicos de un sistema termodinámico cerrado son tales que maximizan el valor de una cierta magnitud que está en función de dichos parámetros, llamada entropía.

La segunda ley dice que "solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno que tiene menor temperatura".

La segunda ley de la termodinámica da, además, una definición precisa de una propiedad llamada entropía (fracción de energía de un sistema que no es posible convertir en trabajo).  Afirma que "la entropía, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio"

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA:No existe ninguna máquina capaz de transformar, el 100% del calor suministrado en trabajo. Eficiencia de una máquina térmica (e)

e=trabajo realizado /calor suministrado e= W/Qs e= 1-(Qd/Qs)e= 1-(T2/T1) dondeQd es el calor disipado o perdidoT1 la temperatura de la fuente caliente, la temperatura masalta en grados Kelvin (K)T2 la temperatura de la fuente fría, la temperatura mas baja en grados Kelvin (K)

Determine:a) ¿Cuál es la eficiencia de una máquina térmica que opera con temperaturas comprendidas entre 1870°C y 430°C?b) ¿Cuál es el trabajo realizado en Joules, si el calor suministrado es de 1700J?Solución:a)Formula sustitución resultadoe=1-(T2/T1) e=1-((430+273) K)/ (1870+273)K) e= 1-(703K/2143K)e = 1-0.3280e=0.6719 = 67.19%Nota: la temperatura debe estar en grados Kelvin(K) y para ello se debe de sumar 273 a la temperatura en grados centígrados (C)b) formula despeje sustitución resultadoe= W/Qs W= e*Qs w= 0.06719 (1700J) W= 1142.32 J