sábado, 17 de marzo de 2012

Termodinámica

INTRODUCCIÓN
    
Termodinámica, campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como sus intercambios energéticos. Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería.
Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico se puede describir mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables de estado. Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables termodinámicas (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de dilatación), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Todas estas variables se pueden clasificar en dos grandes grupos: las variables extensivas, que dependen de la cantidad de materia del sistema, y las variables intensivas, independientes de la cantidad de materia.
Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos.
 


Ley Cero de la Termodinámica
La experiencia indica que si dos sistemas A y B se encuentran, cada uno por separado, en equilibrio térmico con un tercer sistema, que llamaremos C, entonces A y B se encuentran en equilibrio térmico entre sí.


PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA


La primera ley de la termodinámica da una definición precisa del calor, otro concepto de uso corriente.
Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos. Para explicar este fenómeno, los científicos del siglo XVIII conjeturaron que una sustancia que estaba presente en mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura fluía hacia el cuerpo de menor temperatura. Según se creía, esta sustancia hipotética llamada “calórico” era un fluido capaz de atravesar los medios materiales. Por el contrario, el primer principio de la termodinámica identifica el calórico, o calor, como una forma de energía. Se puede convertir en trabajo mecánico y almacenarse, pero no es una sustancia material. Experimentalmente se demostró que el calor, que originalmente se medía en unidades llamadas calorías, y el trabajo o energía, medidos en julios, eran completamente equivalentes. Una caloría equivale a 4,186 julios.
El primer principio es una ley de conservación de la energía. Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse —dejando a un lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia entre masa y energía (véase Energía nuclear) — la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí.
En cualquier máquina, hace falta cierta cantidad de energía para producir trabajo; es imposible que una máquina realice trabajo sin necesidad de energía. Una máquina hipotética de estas características se denomina móvil perpetuo de primera especie. La ley de conservación de la energía descarta que se pueda inventar nunca una máquina así. A veces, el primer principio se enuncia como la imposibilidad de la existencia de un móvil perpetuo de primera especie.


Proceso isobárico
Proceso isobárico, evolución de un sistema termodinámico a presión constante. El agua que hierve en un recipiente abierto a la atmósfera es un ejemplo de proceso isobárico.
Cuando un sistema termodinámico experimenta un proceso isobárico, pasando del estado definido por las variables p y V1, al estado definido por p y V2, el trabajo que se realiza viene dado por = p(V2 – V1). El trabajo realizado por el sistema es positivo cuando el incremento de volumen es positivo; se efectúa trabajo sobre el sistema termodinámico si el incremento de volumen es negativo.
El calor producido o absorbido cuando un sistema termodinámico experimenta un proceso isobárico es igual a la variación de entalpía del proceso.

Proceso isotermo

Proceso isotermo, evolución reversible de un sistema termodinámico que transcurre a temperatura constante. La compresión o la expansión de un gas ideal en contacto permanente con un termostato es un ejemplo de proceso isotermo.
La expansión isoterma de un gas ideal puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como foco caliente. De esta manera el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q = W.
Una curva isoterma es una línea que sobre un diagrama representa los valores sucesivos de las diversas variables de un sistema en un proceso isotermo. Las isotermas de un gas ideal en un diagrama p-V, llamado diagrama de Clapeyron, son hipérbolas equiláteras, cuya ecuación es p·V = constante.

Proceso adiabático

Proceso adiabático, en termodinámica, cualquier proceso físico en el que magnitudes como la presión o el volumen se modifican sin una transferencia significativa de energía calorífica hacia el entorno o desde éste (véase Transferencia de calor). Un ejemplo corriente es la emisión de aerosol por un pulverizador, acompañada de una disminución de la temperatura del pulverizador. La expansión de los gases consume energía, que procede del calor del líquido del pulverizador. El proceso tiene lugar demasiado rápido como para que el calor perdido sea reemplazado desde el entorno, por lo que la temperatura desciende. El efecto inverso, un aumento de temperatura, se observa cuando un gas se comprime rápidamente. Muchos sistemas comunes, como los motores de automóvil, presentan fenómenos adiabáticos.


Proceso isocórico


Proceso isocórico en un diagrama P-V.

Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante;. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como:
,
donde P es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).
En un diagrama P-V, un proceso isocórico aparece como una línea vertical.


PROCESO DIATÉRMICO


Un proceso diatérmico quiere decir que deja pasar el calor fácilmente.
Una interacción térmica es cualquier otro tipo de intercambio de energía. En este caso la pared se denomina diatérmica.
Diatérmico también puede entenderse por isotérmico , significa que no hay cambio de temperatura debido a una pared diatérmica que aísla el sistema del medio ambiente
En cuanto diatérmicos se refieren a que el sistema tiene un intercambio de energía con los alrededores, un ejemplo, nosotros, los seres humanos, somos sistemas diatérmicos, ya que estamos intercambiando energía con nuestro ambiente
Una pared diatérmica es aquella que permite la transferencia de energía térmica (calor) pero, sin que haya transferencia de masa. El opuesto es una pared adiabática que es la que impide la transferencia de energía en forma de calor.
Cualquier superficie real es una superficie diatérmica, por ejemplo, un vaso, los    muros de una casa, etc., todos en mayor o menor grado permiten la transferencia de calor.

Segunda Ley de la Termodinámica 


La Segunda Ley de la Termodinámica es una de la tres Leyes de la Termodinámica. El término "termodinámica" viene de dos palabras raíces: "termo," que significa calor, y "dinámica," que significa poder. Por esto, las Leyes de la Termodinámica son las leyes del "Poder del Calor." Hasta donde sabemos, estas leyes son absolutas. Todas las cosas en el universo observable son afectadas y obedecen las Leyes de la Termodinámica.

La Primera Ley de la Termodinámica, comúnmente conocida como la Ley de la Conservación de la Materia/Energía, establece que la materia/energía no puede ser creada, ni tampoco puede ser destruida. La cantidad de materia/energía permanece igual. Puede cambiar de sólida, a líquido, a gas, a plasma, y comenzar de nuevo, pero la cantidad total de materia/energía en el universo permanece constante.


Segunda Ley de la Termodinámica - Entropía en Aumento
La Segunda Ley de la Termodinámica es comúnmente conocida como la Ley de la Entropía en Aumento. Mientras que la cantidad permanece igual (Primera Ley), la calidad de la materia/energía se deteriora gradualmente con el tiempo. ¿Por qué? La energía utilizable es inevitablemente usada para la productividad, crecimiento y reparaciones. En el proceso, la energía utilizable es convertida a energía inutilizable. Por esto, la energía utilizable es irrecuperablemente perdida en forma de energía inutilizable.

La "Entropía" es definida como una medida de energía inutilizable dentro de un sistema cerrado o aislado (el universo, por ejemplo). A medida que la energía utilizable decrece y la energía inutilizable aumenta, la "entropía" aumenta. La entropía es también un indicador de aleatoriedad o caos dentro de un sistema cerrado. A medida que la energía utilizable es irrecuperablemente perdida, el desorden, la aleatoriedad y el caos aumentan.


Segunda Ley de la Termodinámica - En el Principio.
Las implicaciones de la Segunda Ley de la Termodinámica son considerables. El universo está perdiendo constantemente energía utilizable y nunca ganándola. Concluimos lógicamente que el universo no es eterno. El universo tuvo un comienzo finito… el momento en que tuvo una "entropía cero" (su estado más ordenado posible). Como a un reloj al que se le ha dado toda la cuerda, al universo se le estado gastando la cuerda, como si en un punto estuvo completamente cargado y desde entonces se ha ido descargando. 



¿Por que si la tecnología esta tan adelantada no es posible construir una  maquina térmica que sea capaz de transformar todo el calor que se le suministra en trabajo mecánico?

Resulta deseable construir un refrigerador que pueda realizar su proceso con el 
mínimo de trabajo. Si se pudiera construir uno donde el proceso de refrigeración se realice sin ningún trabajo, se tendría un refrigerador perfecto. Esto es 
imposible, porque se violaría la segunda ley de la termodinámica, que es el 
enunciado de Clausius de la segunda ley (Rudolf Clausius, alemán, 1822-
1888): 


“es imposible construir una máquina cíclica, que no tenga otro efecto que 
transferir calor continuamente de un cuerpo hacia otro, que se encuentre a 
una temperatura más elevada”. 


En términos sencillos, el calor no puede fluir espontáneamente de un objeto 
frío a otro cálido. Este enunciado de la segunda ley establece la dirección del 
flujo de calor entre dos objetos a diferentes temperaturas. El calor sólo fluirá 
del cuerpo más frío al más cálido si se hace trabajo sobre el sistema. 
  
Aparentemente los enunciados de Kelvin – Planck y de Clausius de la segunda 
ley no están relacionados, pero son equivalentes en todos sus aspectos. Se 
puede demostrar (pero aquí no lo hacemos) que si un enunciado es falso, el 
otro también lo es.

No hay comentarios:

Publicar un comentario en la entrada