primera ley de la termodinámica
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PRIMERA LEY DE LA
TERMODINÁMICA Especialista en Enseñanza de la Física Marcos Guerrero
1 Ing. Marcos Guerrero
TEMARIO
• Conceptos Básicos de Termodinámica.
• Primera Ley de la Termodinámica
• Aplicación de la Primera Ley de la
Termodinámica en procesos y ciclos
termodinámicos
2 Ing. Marcos Guerrero
CONCEPTOS BÁSICOS DE
TERMODINÁMICA
3 Ing. Marcos Guerrero
Qué es la Termodinámica?
Ing. Marcos Guerrero 4
La termodinámica es la parte de la Física que estudia la energía de un sistema y la transferencia de energía con el entorno
Ing. Marcos Guerrero 5
Sistema: Parte del universo que es objeto de estudio.
Entorno, alrededores, medio ambiente: Resto del universo
Tipos de sistemas
Materia Energía
Abierto Cerrado
Materia Energía
Aislado Puede intercambiar
Materia Energía
6 Ing. Marcos Guerrero
Ing. Marcos Guerrero 7
Un sistema termodinámico es un sistema cerrado
en el que se puede producir transferencia de
Energía con el entorno. (Por ejemplo, el gas, las
paredes y el cilindro de un motor de automóvil.)
SISTEMA TERMODINÁMICO
4 son las variables de estado que describen la cantidad de un gas
P – la presión
V – el volumen
n – el número de moles
T – la temperatura absoluta
VARIABLES DE ESTADO Y ECUACIÓN DE ESTADO
pV = nRT es un ejemplo de una ecuación de estado de un gas ideal, la cual es una simple relación entre las variables de estado.
8 Ing. Marcos Guerrero
Ing. Marcos Guerrero 9
Qué es un gas ideal?
Un gas que cumple la ecuación de estado de los gases ideales y que se encuentra a baja presión y altas temperaturas.
Ing. Marcos Guerrero 10
A nivel microscópico, qué produce el
cambio de temperatura de un gas ideal?
tECT
Ing. Marcos Guerrero 11
A nivel microscópico, qué produce el
cambio de temperatura de un gas ideal?
Pfrecuencia con que chocan
las moléculas con el
recipiente que los contiene
PROCESOS CUASIESTÁTICOS
También llamado proceso en cuasiequilibrio. Es un
proceso que se lo lleva lentamente y en cada instante de
tiempo el gas ideal se encuentra en equilibrio
termodinámico.
Ejemplos de procesos
cuasiestáticos en gases
ideales: isócoro: V = const
isobárico: P = const
isotérmico: T = const
adiabático: Q = 0
12 Ing. Marcos Guerrero
Ing. Marcos Guerrero 13
Qué significa que un gas ideal,
se encuentre en equilibrio
termodinámico?
Ing. Marcos Guerrero 14
PROCESO REVERSIBLE
Un proceso es reversible si se realiza mediante una sucesión de
estados de equilibrio termodinámico del sistema y es posible
devolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo
camino.
La energía interna se define como la suma de
todas las energías cinéticas y potenciales de las
moléculas.
ENERGÍA INTERNA (U)
La energía interna es una función de estado.
En el caso de los gases ideales la energía
interna es función de su temperatura absoluta.
15 Ing. Marcos Guerrero
ES LO MISMO ENERGÍA
TÉRMICA Y CALOR(Q)? La energía térmica es la parte de la energía interna de un cuerpo que va a
otro cuerpo.
El término calor se utiliza para dar entender el flujo de energía térmica
debido a la diferencia de temperaturas entre dos cuerpos en contacto
térmico.
16 Ing. Marcos Guerrero
TRABAJO HECHO POR EL
SISTEMA SOBRE EL ENTORNO Gas contenido en un cilindro a una
presión P efectúa trabajo sobre un
émbolo móvil cuando el sistema
se expande de un volumen V a un
volumen V + dV.
17 Ing. Marcos Guerrero
dW = Fdy = PAdy
dW = PdV
Ing. Marcos Guerrero 18
El producto Presión y
Volumen, qué unidades
tiene en el S.I.?
El trabajo total cuando el volumen
cambia de Vi a Vf es:
f
i
V
VPdVW
El trabajo positivo representa una transferencia de energía entre el
sistema y el entorno y cuando el trabajo es negativo representa una
transferencia de energía del entorno al sistema.
19 Ing. Marcos Guerrero
El trabajo efectuado en la expansión desde el estado inicial
hasta el estado final es el área bajo la curva en un diagrama
PV.
Trayectorias
El trabajo realizado por un sistema depende de los estados inicial
y final y de la trayectoria seguida por el sistema entre dichos
estados.
20 Ing. Marcos Guerrero
La energía interna en un gas
ideal será una función de
estado que depende de la
trayectoria?
Ing. Marcos Guerrero 21
Ing. Marcos Guerrero 22
Un recipiente con su pistón contiene en su interior un gas ideal a
temperatura T, volumen V y presión P, tal como se muestra en la
figura. Cuáles son las unidades del producto PV?
Presión constante
A) Newton
B) Joules
C) kilogramo
D) Pascal
E) Ninguna de las unidades anteriores.
Ing. Marcos Guerrero 23
Un gas ideal se encuentra en el interior de un recipiente con su
pistón. El gas se lo lleva de un estado de equilibrio
termodinámico A a un nuevo estado de equilibrio
termodinámico B, tal como se muestra en el diagrama P-V. El
trabajo hecho sobre el gas entre los puntos A y B es:
P
B A
VB VA V
A) el área bajo la curva P-V.
B) el negativo del área bajo la curva
P-V.
C) puede ser positivo o negativo del
área bajo la curva P-V
D) cero.
Ing. Marcos Guerrero 24
Un gas ideal se encuentra en el interior de un recipiente con su
pistón. El gas se lo lleva de un estado de equilibrio
termodinámico 1 a un nuevo estado de equilibrio
termodinámico 2, por diferentes trayectorias A, B y C, tal como
se muestra en el diagrama P-V. La energía interna se
incrementa en todos los procesos. El trabajo hecho por el gas
entre los puntos 1 y 2 es mayor en:
A) la trayectoria A.
B) la trayectoria B.
C) la trayectoria C.
D) el trabajo es el mismo en las 3
trayectorias.
P
1
2
V1 V2 V
A
B
C
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Un gas ideal se encuentra en el interior de un recipiente con su
pistón. El gas se lo lleva de un estado de equilibrio
termodinámico 1 a un nuevo estado de equilibrio
termodinámico 2, por diferentes trayectorias A, B y C, tal como
se muestra en el diagrama P-V. La energía interna se
incrementa en todos los procesos. El cambio de energía interna
entre los puntos 1 y 2 es mayor en:
A) la trayectoria A.
B) la trayectoria B.
C) la trayectoria C.
D) es el mismo en las 3 trayectorias.
P
1
2
V1 V2 V
A
B
C
Ing. Marcos Guerrero 26
PRIMERA LEY DE LA
TERMODINÁMICA.
Ing. Marcos Guerrero 27
La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de
la energía.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
Relaciona la variación de energía interna de un sistema y los
mecanismos de transferencia de energía entre el sistema y el
entorno.
En ecuación matemática se traduce como:
Ing. Marcos Guerrero 28
Ing. Marcos Guerrero 29
Positivo Negativo Cero
Q Se transfiere
energía térmica
del entorno al
sistema
Se transfiere
energía térmica
del sistema al
entorno
No hay
transferencia de
energía térmica
entre el sistema y
el entorno.
∆U La energía
interna del
sistema se
incrementa
La energía
interna del
sistema
disminuye
La energía
interna se
mantiene
constante.
W El sistema ejerce
un trabajo sobre
el entorno.
El entorno ejerce
un trabajo sobre
el sistema
No se realiza
trabajo entre el
sistema y el
entorno
Ing. Marcos Guerrero 30
APLICACIONES DE LA
PRIMERA LEY DE LA
TERMODINAMICA
Un proceso a temperatura constante se llama isotérmico. Si
consideramos un gas ideal es trabajo es:
WQ
U
0
PROCESO ISOTÉRMICO
Puede haber expansión
isotérmica o comprensión
isotérmica.
31 Ing. Marcos Guerrero
FAMILIA DE LAS ISOTÉRMAS
Ing. Marcos Guerrero 32
Ing. Marcos Guerrero 33
A nivel macroscópico cómo se
explica que no existe cambio de
energía interna en un proceso
isotérmico? y a nivel
microscópico?
Video
Ing. Marcos Guerrero 34
Un gas ideal se encuentra en el interior de un recipiente con
su pistón. El gas es llevado desde el estado termodinámico 1
al Nuevo estado termodinámico 2, a través de un proceso
isotérmico, tal como se muestra en el diagrama P-V. El
trabajo hecho por el gas entre los puntos 1 y 2 es:
A) positivo
B) negativo
C) puede ser positivo o
negativo
D) cero porque es un proceso
isotérmico.
P 1
2
V1 V2 V
Curva isotérmica
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Un gas ideal se encuentra en el interior de un recipiente con
su pistón. El gas es llevado desde el estado termodinámico 1
al Nuevo estado termodinámico 2, a través de un proceso
isotérmico, tal como se muestra en el diagrama P-V. El
cambio de energía interna entre los puntos 1 y 2 es:
A) positivo
B) negativo
C) puede ser positivo o
negativo
D) cero porque es un proceso
isotérmico.
P 1
2
V1 V2 V
Curva isotérmica
Ing. Marcos Guerrero 36
A continuación se tiene un proceso en el que se realiza una
expansión isotémica. La energía térmica que se transfiere al gas
es:
A. Igual al trabajo hecho por el gas.
B. Igual al trabajo hecho sobre el gas.
C. Mayor al trabajo hecho sobre el gas.
D. Menor al trabajo hecho por el gas
PROCESO ADIABÁTICO
En un proceso adiabático no hay flujo de calor entre el sistema
y sus alrededores.
WU
Q
0
Puede haber expansión
adiabática o comprensión
adiabática.
37 Ing. Marcos Guerrero
Ing. Marcos Guerrero 38
.00 cteVppV
Donde = (Cp/CV) = 1.67, para gas ideal
adiabáticas
isotermas
Se puede demostrar que la curva que describe esta
transformación es
Ing. Marcos Guerrero 39
A nivel macroscópico cómo se
explica que hay cambio de
temperatura en un proceso
adiabático? y a nivel
microscópico?
Video
PROCESO ISOBÁRICO Un proceso a presión constante se denomina isobárico, el
trabajo realizado es:
WUQ
VVPW if
Puede haber expansión
isobárica o comprensión
isobárica.
40 Ing. Marcos Guerrero
Ing. Marcos Guerrero 41
A nivel macroscópico cómo se
explica que se mantiene la presión
constante en un proceso isobárico?
y nivel microscópico?
Video
PROCESO ISOCÓRICO
Un proceso a volumen constante se llama isovolumétrico (o
isocórico), en tal proceso el trabajo es cero y entonces: U = Q
W = 0
42 Ing. Marcos Guerrero
Un trabajo es adiabático si no entra o
sale energía térmica del sistemas, es
decir, si Q = 0. En tal caso:
U = W
Expansión libre adiabática
Para la expansión libre adiabática
Q = 0 y W = 0, U = 0
La temperatura de un gas ideal que
sufre una expansión libre permanece
constante.
Como el volumen del gas cambia, la
energía interna debe ser
independiente del volumen, por lo
tanto
Uideal = U(T)
vacío
Gas a Ti
membrana
Muro aislante
Tf = Ti membrana
43 Ing. Marcos Guerrero
Una expansión libre ocurre cuando
una vávula es abierta y permite que un
gas se expnadaen el interior de un
recipiente. En este proceso la
temperartura del gas:
1) aumenta
2) disminuye
3) permanece igual
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Para un sistema aislado el cambio en la energía interna es cero.
Puesto que para un sistema aislado Q = W = 0, U = 0.
En un proceso cíclico el cambio en la
energía interna es cero.
En consecuencia el calor Q agregado al
sistema es igual al trabajo W realizado.
Q = W, U = 0
En un proceso cíclico el trabajo neto
realizado por ciclo es igual al área
encerrada por la trayectoria que
representa el proceso sobre un
diagrama PV.
P Trabajo = Calor = Área
V
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