term odin a mica

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

Norte de la Universidad Peruana Fundada por Ley 14015 del 13 de Febrero de 1962

FACULTAD DE INGENIERIA

Escuela Acadmico Profesional de Ingeniera de Minas

INTRODUCCION

La palabra termodinmica proviene de dos vocablos griegos, therme y dynamis,

que significan calor y potencia respectivamente, y sos son bsicamente los

campos de estudio de esta borrosa disciplina: el calor, el trabajo mecnico, la

relacin entre los dos y las magnitudes relacionadas con ellos (como la

temperatura, la presin, etc.). Originalmente la termodinmica surgi para

entender de manera terica el funcionamiento de las mquinas trmicas, como

las de vapor para hacerlas funcionar mejor, aunque luego ha ido evolucionando

hasta convertirse en algo mucho ms amplio de lo que su principal padre, el francs Nicolas Lonard Sadi Carnot. Mientras que al principio lo normal era

aplicarla a un motor o una caldera, hoy en da lo hacemos con una tormenta, el

planeta Tierra, tu cuerpo, un nico tomo o el Universo entero como sistema.





OBJETIVOS

OBJETIVO PRINCIPAL

Conocer y aprender sobre los sistemas, equilibrio termodinmico y las condiciones en las que se da este proceso.

OBJETIVO ESPECIFICO

Aprender conceptos bsicos de termodinmica, sistemas y tipos de sistemas.

Ser capaz de resolver ejercicios aplicados a este tema.





TERMODINAMICA

La termodinmica puede definirse como el tema de la Fsica que estudia los procesos en los que se transfiere energa como calor y como trabajo.

Sabemos que se efecta trabajo cuando la energa se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecnicos. El calor es una transferencia de energa de un cuerpo a un segundo cuerpo que est a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo

El calor se define como una transferencia de energa debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energa que no se debe a una diferencia de temperatura.

Al hablar de termodinamica, con frecuencia se usa el trmino "sistema". Por sistema se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar. El resto, lo dems en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente". Se consideran varios tipos de sistemas. En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas abiertos donde s puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energa en cualquiera de sus formas por sus fronteras.

Previo a profundizar en este tema de la termodinamica, es imprescindible establecer una clara distincin entre tres conceptos bsicos: temperatura, calor y energa interna. Como ejemplo ilustrativo, es conveniente recurrir a la teora cintica de los gases, en que stos sabemos estn constituidos por numerossimas molculas en permanente choque entre s.

La temperatura es una medida de la energa cintica media de las molculas individuales. El calor es una transferencia de energa, como energa trmica, de un objeto a otro debida a una diferencia de temperatura.

La energa interna (o trmica) es la energa total de todas las molculas del objeto, o sea incluye energa cintica de traslacin, rotacin y vibracin de las molculas, energa potencial en molculas y energa potencial entre molculas. Para mayor claridad, imaginemos dos barras calientes de un mismo material de igual masa y temperatura. Entre las dos tienen el doble de la energa interna respecto de una sola barra. Notemos que el flujo de calor entre dos objetos depende de sus temperaturas y no de cunta energa trmica o interna tiene cada uno. El flujo de calor es siempre desde el objeto a mayor temperatura hacia el objeto a menor temperatura.





1. SISTEMAS TERMODINAMICOS:

En termodinmica, un sistema es casi cualquier cosa. Se trata de una regin del

espacio dentro de la cual existen diferentes componentes que interactan entre

s, intercambiando energa y en ocasiones masa.

Un sistema posee una frontera que lo delimita. Esa frontera puede ser material

(las paredes de un recipiente, por ejemplo) o imaginarias (una seccin

transversal de un tubo de escape abierto, por ejemplo).

La zona del espacio que rodea al sistema y con la cul ste interacta mediante

intercambios energticos o materiales se denomina el ambiente o el entorno. El

ambiente es la regin desde la cual los observadores (que normalmente no

forman parte del sistema) hacen las medidas acerca de ste e infieren sus

propiedades. A diferencia del sistema, que evoluciona por su interaccin con el

ambiente, se suele considerar que el ambiente no se ve modificado por esta

interaccin. Un bao de agua en el que sumerge un cubito de hielo se supone a

temperatura constante pese a la fusin del hielo. Si el ambiente estuviera

evolucionando como consecuencia de la interaccin, lo incluiramos dentro del

sistema y tomaramos como ambiente una regin ms externa.

Al conjunto del sistema y el entorno se le denomina el universo. Obsrvese que

en termodinmica el universo no es todo el Universo. El cubito de hielo inmerso

en una olla con agua es considerado el universo en el estudio de la fusin del

hielo.

UNIVERSO = SISTEMA + ENTORNO





La frontera de un sistema puede ser:

Fija (las paredes de un recipiente) o mvil (un mbolo o pistn de un motor de

explosin).

Permeable a la masa o impermeable a ella. En el primer caso se dice que

tenemos un sistema abierto (p.ej. un motor en el que entra combustible por

un lado y salen gases por otro) y en el segundo uno cerrado (p.ej. en el circuito

de refrigeracin de una nevera, el gas fren que circula por los tubos nunca

sale al exterior).

Permeable al calor o impermeable a l. Si al poner en contacto el sistema con

el ambiente se produce una transferencia de energa debido a la diferencia de

temperaturas, se dice que la frontera es diatermia. Si el calor no puede

atravesar la frontera se dice que sta es adiabtica

2. TIPOS DE SISTEMAS

Los sistemas termodinmicos pueden ser aislados, cerrados o abiertos.

Sistema aislado: es aqul que no intercambia ni materia ni energa con los alrededores.

Sistema cerrado: es aqul que intercambia energa (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante).

Sistema abierto: es aqul que intercambia energa y materia con los

alrededores.

En la siguiente figura se han representado los distintos tipos de sistemas

termodinmicos.





3. ENERGIA INTERNA DE UN SISTEMA:

La energa interna U de un sistema es el total de todos los tipos de energa que

poseen las partculas que conforman el sistema.

Formas de aumentar la energa interna de un sistema:

Para poder incrementar la energa interna de una sustancia, el calor tiene que

transferirse a la sustancia o hay que realizar trabajo en ella.

Por lo general la energa interna consiste de la suma de las energas potencial y cintica de las molculas de gas que realizan trabajo.





El trabajo puede hacerse en una sustancia de varias maneras. Un ejemplo tpico,

como es un pistn y un dispositivo en el cual un contorno del sistema (pistn)

ejerce una fuerza en la sustancia ya que la mueve una distancia durante una

carrera de compresin. La sustancia es comprimida, y las molculas son

forzadas a acercarse ms las unas con las otras.

La transferencia de calor a una sustancia puede lograrse al hacer contacto con

otra sustancia o sistema con una temperatura ms alta. Ya que el calor se

transfiere de una sustancia caliente a una fra, la temperatura de la sustancia fra

incrementa, resultando en un incremento de la energa interna.

Por lo tanto, las fuerzas intermoleculares incrementan, y la energa potencial de

la sustancia y su energa interna incrementan. Un segundo ejemplo comn

ocurre durante el trabajo del eje, en el cual una fuerza es aplicada a un eje sobre

cierta distancia, llamada el brazo del momento o distancia del nivelador, resulta

+U





en rotacin. Esta energa de rotacin es entonces transferida en el sistema,

causando un incremento en la actividad molecular y por lo tanto, un incremento

en la energa interna

Formas de disminuir la energa interna de un sistema:

Disminuye la energa interna de un sistema cuando el calor que posee dicho

sistema empieza a salir, por ende pierde calor.

Un ejemplo, preparamos caf, notamos que despus de un tiempo este se va

enfriado, en ese caso mientras el caf se iba enfriando nuestro sistema perdida

calor.

4. ESTADO TERMODINAMICO

El ESTADO de un sistema termodinmico se determina mediante cuatro

factores:

Presin absoluta P en pascales

Temperatura T en Kelvin

Volumen V en metros cbicos

Nmero de moles, n, del gas que realiza trabajo

Wout

caliente

Qout

caliente





5. EQUILIBRIO TERMODINMICO

En Termodinmica se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinmico cuando las variables intensivas que describen su estado no varan a lo largo del tiempo.

Cuando un sistema no est aislado, el equilibrio termodinmico se define en relacin con los alrededores del sistema. Para que un sistema est en equilibrio, los valores de las variables que describen su estado deben tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores. Cuando un sistema cerrado est en equilibrio, debe estar simultneamente en equilibrio trmico y mecnico.

Equilibrio trmico: la temperatura del sistema es la misma que la de los alrededores.

Equilibrio mecnico: la presin del sistema es la misma que la de los alrededores.

6. PRIMERA LEY DE TERMODINAMICA

La entrada neta de calor en un sistema es igual al cambio en energa interna del

sistema ms el trabajo realizado por el sistema.

La primera ley no es otra cosa que el principio de conservacin de la energa

aplicado a un sistema de muchsimas partculas. A cada estado del sistema le

corresponde una energa interna U. Cuando el sistema pasa del estado A al

estado B, su energa interna cambia en

DU=UB-UA

Supongamos que el sistema est en el estado A y realiza un trabajo W,

expandindose. Dicho trabajo mecnico da lugar a un cambio (disminucin) de

la energa interna de sistema

DU=-W

Q = U + W final - inicial)





Tambin podemos cambiar el estado del sistema ponindolo en contacto trmico

con otro sistema a diferente temperatura. Si fluye una cantidad de calor Q del

segundo al primero, aumenta su energa interna en

DU=Q

CONVENSION DE SIGNOS:

7. PROCESOS TERMODINAMICOS:

Es cuando la temperatura, presin o volumen de un gas varan. Los procesos

termodinmicos se clasifican en:

o PROCESO ISOTERMICO:

Se presenta cuando la temperatura del sistema, permanece constante independientemente de los cambio de presin o volumen que sufran.





o PROCESO ISOBARICO:

Es cuando hay una variacin del volumen o temperatura y la presin permanece constante, no importando si el gas sufre una compresin o una expansin.

o PROCESO ISOCORICO:

Se presenta cuando el volumen del sistema permanece constante. Ya que la

variacin del volumen es cero, no se realiza trabajo sobre el sistema ni de ste

ltimo de sobre los alrededores, ya que se define como W = PV

PROCESO ADIABATICO:

Sistema que (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor

con su entorno.





El trmino adiabtico hace referencia a elementos que impiden la transferencia

de calor con el entorno. Q= U +W

Como Q =0, entonces,

U = -W.





CONCLUSIONES

El Universo puede ser adecuadamente descrito desde el punto de vista termodinmico si lo consideramos dividido en dos partes, el sistema y el

ambiente, separadas entre s por una frontera.

El sistema, puede ser descrito a travs de sus propiedades, las que se relacionan entre s a travs de ecuaciones de estado.

El calor y el trabajo no caracterizan a un sistema, sino que constituyen el medio por los cuales se puede modificar los valores en las propiedades

de un sistema. En este sentido, pueden fluir a travs de la frontera entre

el ambiente y el sistema y viceversa.

La termodinmica trata con estados de equilibrio que se define como un estado de balance en el cual no hay potenciales desbalanceados (o

fuerzas impulsoras) dentro del sistema, y ste no experimenta cambios

cuando es aislado de sus alrededores.

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