primera ley de la termodinamica

Primera Ley de

la

Termodinmica

1 MBA. Ing. Hctor Ivn Bazn Tantalen

MBA. Ing. Hctor Ivn Bazn Tantalen

2

Termodinmica

La termodinmica es la parte de la Fsica que estudia la energa de

un sistema y la transferencia de energa con el entorno

Resto del universo

SistemaParte del universo que es objeto de

estudio.

Entorno, alrededores,

medio ambiente:


3

Tipos de Sistemas


4


5

Sistema termodinmico

Un sistema termodinmico es un sistema cerrado

en el que se puede producir transferencia de

Energa con el entorno. (Por ejemplo, el gas, las

paredes y el cilindro de un motor de automvil.)


6

Signos del calor y trabajo de la termodinmica


7


8

Trabajo realizado al cambiar el volumen

Si el pistn se mueve hacia afuera una distancia infinitesimal dx, el

trabajo dW realizado por dicha fuerza es:

Pero,


9

Donde dV es el cambio infinitesimal de volumen del sistema. As,

podemos expresar el trabajo efectuado por el sistema en este cambio

infinitesimal de volumen como

(Trabajo efectuado a presion constante)

W = PV = PDV


10

Si la presin p permanece constante mientras el volumen cambia de a .

W= (2 1)(Trabajo efectuado en un cambio de volumen a presin constante)

En general

El trabajo positivo representa una transferencia de energa entre el

sistema y el entorno y cuando el trabajo es negativo representa

una transferencia de energa del entorno al sistema.

El trabajo efectuado en la expansin desde el estado inicial hasta

el estado final es el rea bajo la curva en un diagrama PV.


11

El trabajo efectuado es igual al rea bajo la

curva en una grfica pV.


12

Problema


13

Solucin


14

Trabajo efectuado en un proceso termodinmico

Trayectoria

Cuando un sistema termodinmico cambia de un estado inicial a uno

final, pasa por una serie de estados intermedios, se le conoce como

trayectoria.

El trabajo depende de la trayectoria recorrida


15

Concluimos que el trabajo realizado por el sistema depende no slo de

los estados inicial y final, sino tambin de los estados intermedios, es decir, de la trayectoria.


16

Calor agregado a un proceso termodinmicoAl igual que el trabajo, el calor agregado a un sistema termodinmico

cuando cambia de estado depende de la trayectoria del estado inicial al

final.

Si bien no tiene sentido hablar del trabajo en un cuerpo o el calor en un cuerpo, s lo tiene hablar de la cantidad de energa interna en un cuerpo.


17

Energa interna (U)

La energa interna se define como la suma de todas las energas

cinticas y potenciales de las molculas.

La energa interna es una funcin de estado.

En el caso de los gases ideales la energa interna es funcin de su

temperatura absoluta.

15 Ing.

La energa interna de un gas ideal depende slo de su temperatura,

no de su presin ni de su volumen.


18

ES LO MISMO ENERGA TRMICA Y CALOR(Q)?

La energa trmica es la parte de la energa interna de un cuerpo

que va a otro cuerpo.

El trmino calor se utiliza para dar entender el flujo de energa

trmica debido a la diferencia de temperaturas entre dos cuerpos en

contacto trmico.


19

Primera Ley de la termodinmicaRelaciona la variacin de energa interna de un sistema y los

mecanismos de transferencia de energa entre el sistema y el entorno.

En ecuacin matemtica se traduce como:

La primera ley de la termodinmica es la ley de conservacin de la

energa.

2 1 = =

El cambio de energa interna de un sistema durante un proceso

termodinmico depende slo de los estados inicial y final, no de latrayectoria que lleva de uno al otro.

)( ABV TTnCU

Cv: Calor especifico a volumen constante.


20

Primera Ley de la Termodinmica

Se refiere a la conservacin de la energa, es decir, a que la energa

total en el universo permanece constante, y establece que el

cambio en la energa interna de un sistema cerrado, U es igual al

calor neto Q agregado al sistema, menos el trabajo neto efectuado

por el sistema sobre los alrededores.

En donde Q es positivo para el calor agregado o cedido al sistema y

W es positivo para el trabajo realizado por el sistema. Por otra parte, si

se realiza trabajo sobre el sistema, W ser negativo, y si el calor sale

del sistema Q, ser negativo.

U Q W


21

Si agregamos cierta cantidad de calor

Q a un sistema y ste no realiza trabajo

en el proceso, la energa interna

aumenta en una cantidad igual a Q.

Si el sistema efecta un trabajo W

expandindose contra su entorno y no

se agrega calor durante ese proceso,

sale energa del sistema y disminuye la

energa interna.

=

=

Si hay tanto transferencia de calor

como trabajo, el cambio total de

energa interna es: =


22

Se agrega al sistema ms calor que el

trabajo efectuado por ste: aumenta

la energa interna del sistema.

Sale del sistema ms calor que el

trabajo efectuado: disminuye la

energa interna del sistema.

El calor agregado al sistema es igual al

trabajo que ste realiza: no cambia la

energa interna del sistema.


23

Cambios infinitesimales de estado

Primera ley de termodinmica, proceso

infinitesimal

= En los sistemas que veremos, el trabajo dW est dado por dW =p dV

=


24

Problema


25

Solucin


LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA

Hasta el momento se han considerado por

separado varias formas de energa como el calor

Q, el trabajo W y la energa total E, y no se ha

hecho ningn intento para relacionarlas entre s

durante un proceso.

La primera ley de la termodinmica,

conocida tambin como el principio de

conservacin de la energa, brinda una base

slida para estudiar las relaciones entre las

diversas formas de interaccin de energa. A

partir de observaciones experimentales, la

primera ley de la termodinmica establece que la

energa no se puede crear ni destruir durante un

proceso; slo puede cambiar de forma. Por lo

tanto, cada cantidad de energa por pequea que

sea debe justificarse durante un proceso.


28

Ejemplo 2.10


LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA


31

Ejemplo 2.11


34

Ejemplo 2.12


35Ejemplo 2.12


36Ejemplo 2.12


37Ejemplo 2.13


38Ejemplo 2.13


39Ejemplo 2.13


40Ejemplo 2.14


41Ejemplo 2.14


42Ejemplo 2.14


43Ejemplo 2.14


44

Procesos cclico o Reversible

Un proceso que tarde o temprano vuelve un

sistema a su estado inicial es un proceso cclico.

En un proceso as, el estado final es el mismo que el inicial,

as que el cambio total de energa interna debe ser cero.


45

Problema


46

Solucin


47

No realiza trabajo sobre su entorno ni intercambia calor con l.

Para cualquier proceso que se efecta en un sistema aislado:

Sistemas aislados

Y por lo tanto

La energa interna de un sistema aislado es constante.


48

Problema


49

Solucin


50

Problema


51

Solucin


52

PROCESOS CUASIESTTICOS

Tambin 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 termodinmico.

Ejemplos de procesos cuasiestticos en gases ideales:

iscoro: V = const

isobrico: P = const

isotrmico: T = const

adiabtico: Q = 0


53

Proceso IsobricoSe efecta a presin constante. En general, ninguna

de las tres cantidades: dU, Q y W es cero en unproceso isobrico.

Puede haber expansin isobrica

o comprensin isobrica.

teconsP tan

)(

)(

ABp

AB

TTnCQ

VVPPdVW

Cp: Calor especifico molar a

presin constante.

n=# de moles.


54

Problema


55

Problema


56

Proceso Isocorico o Isovolumetrico

Se efecta a volumen constante. Si el volumen de unsistema termodinmico es constante, no efecta

trabajo sobre su entorno; por lo que W=0.

QUUU 12

WQU

TnCU

teconsV

V

.tan

QU

0


57

Problema


58

Problema


59

Proceso IsotrmicoSe efecta a temperatura constante. Para ello, todo intercambio de

calor con el entorno debe efectuarse con tal lentitud para que se

mantenga el equilibrio trmico. En general, ninguna de las cantidades

dU, Q o W es cero en un proceso isotrmico.

Puede haber expansin isotrmica o

comprensin isotrmica.

Q=W

W = pdVVA

VB

=nRT

VdV

VA

VB

W = nRT ln(VBVA

)

WQU 0

teconsT tan


60

Familia de las Isotermas


61

Problema


62

Solucin


63

Capacidades calorficas

Para un proceso Isocrico

U = nCVT

dU

dT= nCV

Para un proceso Isobrico

RCC

nRnCnC

dT

pdV

dT

dU

dT

dQ

pdVdUdQ

VP

Vp


64

Razn de capacidades calorficas

VV

V

V

P

VP

C

R

C

C

C

C

RCC

V

P

C

C

VC

R1

RAZON DE CAPACIDADES CALORIFICAS


65

Proceso Adiabtico

Definimos un proceso adiabtico como aquel donde no entra ni sale

calor del sistema: Q = 0.

WUUU 12


66Si en el proceso no hay intercambio de calor, es decir Q=0 y

usando la ecuacin anterior tenemos:

)(1

1

)(

tan

BBAAAB

V

V

AB

ABAB

ABAB

ABVAB

VPVPW

PdVW

UW

WQU

TTnCU

teconsQ

B

A

0

nR

PVT

nRTPV


67

Adems, para procesos adiabticos se cumple que:

constante)ln(

constantelnVlnT

constante1)lnV-(lnT

:ecuacion la integramosy volumen ra temperatude infinitos cambios

0)1(

11

/ de sen terminoexpresar puede se /

0

1

1-

TV

Para

V

dV

T

dT

C

C

C

CC

C

R

CCCR

V

dV

C

R

T

dT

dVV

nRTdTnC

V

P

V

VP

V

VPV

V

V


68

Identificacin de Procesos Termodinmicos


69

Energa interna de un gas ideal

La energa interna de un gas ideal depende slo de su

temperatura, no de su presin ni de su volumen. Esta

propiedad, adems de la ecuacin de estado del gas ideal,

forma parte del modelo de gas ideal.


70

Capacidad calorfica del gas ideal

La capacidad calorfica de un

gas en un recipiente cerrado

en condiciones de volumen

constante.

Capacidad calorfica molar a volumen constante ()

En el caso de slidos y lquidos,

tales mediciones

generalmente se realizan en la

atmsfera a presin

atmosfrica constante.

Capacidad calorfica molar a presin constante ()


71Por ultimo

1

22

1

11

2211

1

),(T final estadoy ),(T incial estado para que Asi

constante

VTVT

VV

TV

Podemos convertir la ecuacin anterior en relacin de presiones:

2211

2211

1

pp

:)V,(p final estadoun paray )V,(p incial estadoun Para

antepV

constantesson Ry n que puestobien o

ante

VV

const

constVnR

pV


72

Gases monoatmicos

RR

nRdTdT

I

dTnCdQ

Por

nRdTdK

V

tr

2

5C

2

3C

: tantoloPor

2

3nC

:anteriores ecuaciones las gualando

C constante, volumen amolar calorifica capacidad de definicion la

2

3

K rotacional cinetica energia de definicion la Recordando

PV

V

V

tr

En el caso de un gas monoatmico, hay tres grados de libertad , por

las componentes de velocidad Vx, Vy y Vz,.


73

Gases DiatmicosEn el caso de una molcula diatnica, hay dos posibles ejes de

rotacin, perpendicular entre s y perpendiculares al eje de la molcula.

Si asignamos cinco grados de libertad a una molcula diatmica, la

energia cintica media total por molcula es:

nRTK

TkNnK

kTnNK

tot

Atot

Atot

2

5

)(2

5

)2

5(

Capacidad molar a volumen constante es:

RCV2

5


74

Capacidad molar a presin constante es:

RCP2

7


75


76

Problema 19.7


77

Solucin


78

Problema


79

Solucin

primera ley de la termodinamica

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