termodinámica i
TRANSCRIPT
CURSO PREICFES 2012ASIGNATURA: FISICA
PROFESOR: RUDDY REALES FERRIGNO-
VLADIMIR MOLINA MASS- JUAN CARLOS
SOCHA MARSHALL
ING : MECÁNICO
“Un hombre que no arriesga nada por sus ideas, o no valen nada sus ideas, o no vale nada el hombre“
PLATÓN
“Ya lo dijo otro, el peor fracaso es la perdida del entusiasmo” HÉCTOR A. GARCÍA
Si quieres que algo este bien hecho, por favor no envíes a nadie, ya te lo han dicho un montón de veces, vete y hazlo tu mismo.
HÉCTOR A. GARCÍA
La inspiración existe, pero tiene que encontrarte trabajando... PABLO PICASSO
El hombre bien preparado para la lucha ya ha conseguido medio triunfo.MIGUEL DE CERVANTES
Tu quieres ser sabio? Estudia en tí mismo, habla poco, piensa alto, mira hondo, observa siempre y aprende de todos.
JOAQUÍN TRINCADO
LO DIJO SIMÓN BOLÍVAR
“Para el logro del triunfo siempre ha sido indispensable pasar por la senda de los sacrificios”
"Para ir delante de los demás, se necesita ver más que
ellos"
CIENCIAS NATURALES
DIVISIONES
FÍSICA QUÍMICA BIOLOGÍA
COMPONENTES
MECÁNICA CLÁSICA
TERMODINÁMICA
E. ONDULATORIOS
E. ELECTROMAGNÉTICOS
TERMODINÁMICA
Un cubito de hielo sobre una mesaEquilibrio mecánico
F = 0
Funde al cabo de un tiempoProceso inexplicable en el contexto de la mecánica.
Es necesario introducir nuevos conceptos (Temperatura, transformación de calor, etc.) y desarrollar nuevas teorías
(métodos de trabajo): Termodinámica, Mecánica Estadística.
SUPONGAMOS UNA CANTIDAD PEQUEÑA DE GAS ( 5 g.)
Muchísimas moléculas, aprox. moléculas
100000’’’000000’’000000’000000 de moléculas100000’’’000000’’000000’000000 de moléculas¿Es razonable hacer uso de las ecuaciones de Newton y de la dinámica de los sistemas de partículas?Métodos Mecánica estadística : conectar valores promedios con diferentes magnitudes (T., presión, etc.)
2310
TERMODINÁMICA
Rama de la Física que estudia los efectos de los cambios de la temperatura, presión y volumen de
los sistemas físicos a un nivel macroscópico.
Describe cómo los sistemas responden a los cambios en su entorno
Su interpretación en términos de promedios ayuda a entender lo que ocurre.
Magnitudes macroscópicas utilizadas: Temperatura, número de moles, Energía Interna,
Entropía, presión, volumen, todas son variables de estado (T, n, U, S, P y V)
¿Qué es la termodinámica? La parte de la FÍSICA que
estudia las transformaciones del calor en energía mecánica y viceversa.
1.Conceptos fundamentales
Universo
Sistema Borde ofrontera
Estado de un sistema: Estado de un sistema: Se especifica por los valores de Se especifica por los valores de ciertas magnitudes medibles experimentalmente ciertas magnitudes medibles experimentalmente
(P, V, T..)(P, V, T..)Funciones de estadoFunciones de estado
Entorno
Sistema Termodinámico: porción del universo dentro de una superficie cerrada ( borde) que lo separa del entorno
SISTEMA AISLADO
Tienen energía y masa constante debido a que sus fronteras son- rígidas, por lo que no permiten el intercambio de energía mecánica;- perfectamente aisladas, impidiendo el flujo de calor; - impermeables al intercambio de materia.
CLASES DE SISTEMAS TÉRMICOS
SISTEMA CERRADO
Transferencia de energía hacia dentro o hacia afuera del sistema-no hay intercambio de materia. -Tienen masa y composición constante, pero niveles de energía variables.
SISTEMA ABIERTO
Transferencia tanto de energía como de materia hacia dentro o hacia afuera del sistema. El sistema puede estar abierto a una especie o varias especies químicas. La mayoría de los sistemas geológicos son abiertos.
SISTEMA ADIABÁTICO
Categoría especial de los sistemas aislados en el cual no se puede intercambiar calor con el entorno, pero se puede transferir energía a través de las fronteras del sistema en forma de trabajo
.
Equilibrio térmico y temperatura. Ley cero
Cuando dos sistemas no aislados se ponen en contacto térmico el estado evoluciona hacia un equilibrio térmico
Ley cero: cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero también lo están entre sí.
Calor y Temperatura
La energía térmica es la suma de las energías de todas las partículas de un cuerpo.
La temperatura depende de la media de las energías cinéticas de las partículas de un cuerpo.
Calor= E1+E2+E3+…..En Temperatura ~ Energía cinética media
El calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partículas del cuerpo.
Benjamín Thompson
El calor es una forma más de energía.
Julius Lothar von Mayer
El calor no sólo es capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además puede moverlos y realizar un trabajo.
James Prescott Joule
La temperatura es una medida del nivel de esa agitación térmica o interna de las partículas que constituyen un cuerpo, nivel expresado por el valor de su energía cinética media.
CALOR Y TEMPERATURA
Fundamento del termómetro.
Podemos observar que al calentar el agua coloreada del recipiente ésta sube por la columna.
Esta experiencia funciona incluso con el calor de las manos.
Agua o alcohol coloreados.
¿Qué es el cero absoluto de temperatura?
El cero absoluto de temperatura (0K) es la temperatura más baja que teóricamente se puede alcanzar. En el cero absoluto las partículas del cuerpo o sustancia están paradas. Esto es, no tienen energía cinética.
0K= -273ºC.
¿Los sólidos se dilatan al calentarlos?
Experiencia: Se introduce vapor de agua por el interior de un tubo de hierro. Observa lo que sucede y saca las conclusiones oportunas.
0
vapor
DILATACIÓN LINEALAumento de longitud.
Lo
L
ΔL
L = Lo + ΔL
Lo = longitud inicial L = longitud final ΔL = Cambio de longitud
ΔL = α Lo ΔT
α = Coeficiente de dilatación lineal
DILATACIÓN SUPERFICIALAumento de área.
Ao = área inicial A = área final β = Coeficiente de dilatación superficial
ΔΔA = A = ββ Ao Ao ΔΔTT
Ao A
ΔΔAA
Ao + Ao + ∆A∆A
DILATACIÓN VOLUMETRICAVo = Volumen inicial
V = volumen final
ΔV = Cambio de volumen
δ = Coeficiente de dilatación volumétrica
ΔΔV = V = δδ V Voo ΔΔTT
Vo∆V
Vo + ∆V
LOS LIQUIDOS DILATACIÓN EN LOS
LIQUIDOS Su importancia radica en el cambio de volumen.
DILATACION APARENTE: Se refiere al cambio
aparente que sufre un líquido al someterlo a altas temperaturas, teniendo en cuenta que el recipiente que lo contiene sufrirá también un cambio debido a dicha temperatura
DILATACIÓN IRREGULAR DEL AGUA:
Cuando la temperatura del agua aumenta entre 0º y 4ºC, su volumen disminuye. Al hacer que su temperatura se eleve a más de 4ºC, el agua iniciará su proceso normal de dilatación.
DILATACIÓN ANÓMALA DEL AGUA
ENTRE 0 Y 4ºC EL AGUA LÍQUIDA SE CONTRAE AL SER CALENTADA, Y SE DILATA POR ENCIMA DE LOS 4ºC.
La densidad del agua tiene un máximo a 4ºC, allí su valor es de 1 000 kg/m .
A cualquier otra temperatura su densidad es menor.
3
Densidad (g/cm3)
Los gases también se dilatan al calentarlos
Hagamos la siguiente experiencia y observaremos que al calentar suavemente el aire del recipiente de cristal el globo se hincha sólo.
Conclusión: Los gases se dilatan con el calor.
Aire
EN LOS CAMBIOS DE ESTADO O FASE, LA TEMPERATURA NO CAMBIA, SE MANTIENE CONSTANTE.
Calor latente de fusión Calor de sublimación Calor de vaporización Q
L = m
CAPACIDAD TÉRMICA Y CALOR ESPECÍFICO
CAPACIDAD TÉRMICA =
Es una característica de cada cuerpo y representa su capacidad de recibir o ceder calor variando su energía térmica
CALOR ESPECÍFICO =
Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de
masa de una sustancia en un grado
( )
Q Ccm T m
QC
T
TABLA DEL CALOR ESPECÍFICO DE ALGUNAS SUSTANCIAS
c agua = 1 cal/g.°C
c hielo = 0,5 cal/g.°C
c aire = 0,24 cal/g.°C
c aluminio = 0,217 cal/g.°C
c plomo = 0,03 cal/g.°C
c hierro = 0,114 cal/g.°C
c latón = 0,094 cal/g.°C
c mercurio = 0,033 cal/g.°C
c cobre = 0,092 cal/g.°C
c plata = 0,056 cal/g.°C
cal
g.°CQ
m.T
Para definir un patrón de gas que sirva para establecer reglas de comportamiento se crea el concepto de gas ideal, este gas ideal cumple las condiciones siguientes:
Ocupa el volumen del recipiente que lo contiene. Está formado por moléculas. Estas moléculas se mueven individualmente y al azar en todas
direcciones. La interacción entre las moléculas se reduce solo a su choque. Los choques entre las moléculas son completamente elásticos
(no hay pérdidas de energía). Los choque son instantáneos (el tiempo durante el choque es
cero).
Los gases reales, siempre que no estén sometidos a condiciones extremas de presión y temperatura, cumplirán muy aproximadamente las reglas establecidas para los gases ideales.
Ecuación de los gases ideales
KmollatmR
KmolJR
º/082.0
º/3143.8
nRTPV Número de moles
Constante de los gases
kNR A
Númerode Avogadro
Constante deBoltzmann
KJk /10831.1 23
231023.6 AN
La radiación.
El calor es una forma de radiación como la luz pero de longitud de onda más larga, radiación infrarroja.
Como tal radiación es capaz de transmitirse como la luz, sin el soporte de ningún medio material y de ser reflejado. Es de esta forma como el calor del sol llega a la tierra.
Radiación infrarroja
La conducción del calor.
Hagamos la siguiente experiencia:
Calentaremos con un mechero una barra de hierro a la cual hay sujetas con cera unas puntas o unos clips.
Observa lo que sucede y saca las conclusiones oportunas.
La convección del calor.
Introduce en un recipiente con agua unas virutas de un material que se hunda en el agua pero que no sea muy pesado. Enciende el hornillo eléctrico y espera un poco a ver lo qué sucede.
¿Puedes explicar este fenómeno?
¿Qué demuestra esta experiencia?
La convección: La calefacción y la refrigeración.
Si te has fijado los aparatos de calefacción se colocan abajo, mientras que los de aire acondicionado se ponen altos. Seguro que si has entendido los procesos de convección sabrás por qué.
La convección: La calefacción y la refrigeración.
Si te has fijado los aparatos de calefacción se colocan abajo, mientras que los de aire acondicionado se ponen altos. Seguro que si has entendido los procesos de convección sabrás por qué.
TERMODINÁMICA II
Equivalencia entre calor y trabajoEnergía interna
Primer principio de la termodinámicaSegundo principio de la termodinámica
Máquinas térmicas
EQUIVALENCIA CALOR-TRABAJO.
A principios del siglo XIX se pensaba que el calor era una sustancia fluida material que pasaba de unos cuerpos a otros (teoría del “calórico”).
Joule demostró que el calor era una forma de energía y calculó la equivalencia entre la caloría (unidad de calor) y el julio (unidad de trabajo-energía).
1 J = 0,24 cal ; 1 cal = 4,18 J
APARATO DE JOULE PARA TRANSFORMAR TRABAJO EN CALOR Y OBTENER EL EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
1 J = 0,24 cal1 J = 0,24 cal 1 cal = 4,18 J 1 cal = 4,18 J
ENERGÍA INTERNA (U)
Es la energía total de las partículas que constituyen un sistema.
Es igual a la suma de todas las energías de rotación, traslación, vibración y enlace entre los átomos que constituyen las moléculas.
Es una magnitud “extensiva”, es decir, depende de la masa del sistema.
Es muy difícil de medir. En cambio es fácil determinar la variación de ésta (U).
1ER. PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Un sistema pierde energía interna (U < 0) si cede calor o realiza un trabajo y gana
energía interna (U > 0) si absorbe calor o el exterior ejerce un trabajo sobre él.
U = Q ─ W
CALORCALOR
Q > 0Q > 0
CALORCALOR
Q < 0Q < 0
TRABAJOTRABAJO
W < 0W < 0
TRABAJOTRABAJO
W > 0W > 0
SISTEMA
- q + q
+ w
- w
Convención de signos:
Principios de la termodinámica
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
En toda transformación que experimenta un sistema cerrado, la diferencia entre el calor intercambiado con el medio exterior y el trabajo realizado por el sistema, es un valor constante.
ΔU=Q - W
TIPOS DE PROCESOS ADIABÁTICOS: (Q = 0, aislado térmicamente)ΔU = Q – W ΔU = – W
ISÓCOROS: (V = constante, vuelve a su estado inicial)
Como V = 0 W = 0 ΔU = Q – W U = Q
ISOBÁRICOS: (p = constante) U = Qp – W
ISOTÉRMICOS: (T = constante)(ΔU = 0) La energía solo depende de T, no de V y P.
ΔU = Q – W 0 = Q – W Q = W
Transformación isobáricaPresión constante.
Gay-Lussac: p (V2 - V1) = n R (T2 - T1)
Transformación isocóricaVolumen constante.
Transformación isotérmica
Temperatura constante.
Boyle-Mariotte: p1 V1 = p2 V2 = nRT = cte
ISOTERMA
Transformación adiabática
Calor constante.
Ecuación de Poisson: p Vγ = cte
TRANSFORMACIONES DE LOS GASES
PROCESO ADIABATICO PROCESO
ISOBARICO
PROCESO ISOTERMICO
PROCESOISOCORO
NO EXISTETRANSFERENCIA
DE CALOR
A PRESIÓNCONSTANTE
A TEMPERATURACONSTANTE
A VOLUMEN CONSTANTE
v
p
v
p
v
p
v
p
O O
O
P .V P.V
T T
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.
Todo el trabajo que se suministra a un sistema puede almacenarse como calor.
Sin embargo, el proceso contrario no es posible: “No todo el calor suministrado o absorbido por el sistema y que hace aumentar U del mismo, puede recuperarse en forma de trabajo” ya que parte del calor se emplea en calentar un foco frío.
Diagrama esquemático de una máquina térmica
De los principios anteriores se deduce que para construir una máquina térmica se necesitan dos focos a distintas temperaturas que faciliten la transmisión de calor, en cuyo camino se situará el fluido que mediante transformaciones termodinámicas transformará parte del calor absorbido en trabajo mecánico.
Diagrama esquemático de una máquina térmica
Foco caliente
Foco frío
Fluido Trabajo realizado porel fluido W=Q1-Q2
Calor cedido por foco calientey recibido por el fluido
Calor recibido por foco fríodesde el fluido
Q1
Q2
Rendimiento:
η = Q1 – Q2 / Q1
Ciclo termodinámico de CarnotEs el ciclo termodinámico ideal del que
se podría obtener máximo rendimiento teórico de una máquina térmica.
Es un ciclo reversible, ideal, y no es posible ejecutarlo físicamente con ninguna máquina térmica.
El ciclo de Carnot está formado por dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones adiabáticas.
Ciclo termodinámico de Carnot
Funcionamiento de una central térmica
En la siguiente gráfica se observa el comportamiento del volumen de 1 g de agua cuando se le aplica calor a presión atmosférica. De acuerdo con la información contenida en la gráfica la temperatura para la cual la densidad del agua es máxima es
A. 8oC B. 16oC C. 0oC D. 4oC
En dos recipientes de iguales volúmenes se tienen gases ideales. La masa de cada molécula del gas del primer recipiente es m1 y la rapidez promedio de esas moléculas es V1. Para el gas del recipiente 2 estas magnitudes correspondientemente valen m2 y V2, cumpliéndose que m1 > m2 y V1 >V2. Los recipientes contienen iguales cantidades de moléculas
2. Acerca de las presiones y temperaturas de estos gases se puede afirmar que A. las presiones son iguales pero T1 es mayor que T2 B. las presiones son iguales pero T1 es menor que T2 C. P1 es mayor que P2 y T1 es mayor que T2 D. P1 es menor que P2 y T1 es menor que T2
En la preparación de una sopa se utilizan ingredientes con masa mi y con un calor específico promedio C i,. Además de los ingredientes se añade una masa m de agua cuyo calor específico es C . La energía que hay que cederle a la sopa para llevarla desde la temperatura ambiente To, hasta su punto de ebullición , Te es
Dentro de una caja hermética, de paredes totalmente aislantes y al vacío, se halla un trozo de hielo a -20oC. La caja contiene una bombilla inicialmente apagada
Mientras la bombilla permanece apagada la gráfica que muestra la temperatura del hielo en función del tiempo es
Estando el trozo de hielo a -20oC se enciende la bombilla. A partir de este instante, acerca de la temperatura del trozo de hielo se puede afirmar que
A. no cambia, puesto que no hay materia entre la bombilla y el hielo para el intercambio de calor B. va aumentando, porque la radiación de la bombilla comunica energía cinética a las moléculas del hielo C. no cambia puesto que no hay contacto entre la superficie de la bombilla y la del hielo D. aumenta, porque la luz de la bombilla crea nueva materia entre la bombilla y el hielo, que permite el intercambio de calor
