LEYES DE LA TERMODINAMICA

LEY DE LA ENERGIALEY DE LA ENTROPIA

Joaquín Medín MolinaFisica general 2 2006

FORMULACION SIMPLIFICADA DE LEYES TERMODINAMICAS PARA SISTEMAS PURAMENTE TERMICOS

energia decuerpo caliente

energia decuerpo frioflujo de calor

. UN FLUJO DE CALOR AUMENTA LA ENERGIA DE EL CUERPO QUE LOABSORBE EN LA MISMA MEDIDA QUE DISMINUYE LA ENERGIA DELCUERPO QUE LIBERA EL CAOR

LEY DE CONSERVACION DE ENERGIA

LEY DE TENDENCIA AL EQUILIBRIO

EL CALOR SIEMPRE FLUYE NATURALMENTE DEL CUERPO CALIENTEAL CUERPO FRIO HASTA ALCANZAR UN EQUILIBRIO

NECESIDAD DE AMPLIAR FORMULACION DE PRIMERA LEYPARA INCLUIR SISTEMAS TERMOMECANICOS

UN SISTEMA PUEDE ADQUIRIR ENERGIA TERMICA Y SUBIR SUTEMPERATURA MEDIANTE TRABAJO, SIN NECESITAR ABSORBER CALOR

corriente

FORMULACION MAS GENERAL DE PRIMERA LEY PARA SISTEMAS CERRADOS

LA ENERGIA DE UN SISTEMA CERRADO SOLO CAMBIA MEDIANTE FLUJOS DE CALOR YTRABAJO QUE NO ALTERAN LA ENERGIA TOTAL DEL UNIVERSO (SISTEMA MAS AMBIENTE)

Cambio de energia del sistema= calor(Q) que absorbe - trabajo(W) que hace sobre ambiente

Ejemplo ilustrativo: sistema=gas dentro de un cilindro sellado durante 10 segundos

H=3 julios/seg (vatios) , Potencia= 2 julios/seg (vatios)suponemos que la energia inicial del sistema =100julios

y que la energia inicial de fuente de calor=fuente de trabajo= 200 julios

Hallar W,Q,∆E , Energias finales del sistema y de las fuentes y laenergia del universo al inicio y al final del proceso.

EPotenciaH

DETERMINACION DEl TRABAJO(W) Y DELCALOR(Q) PARA UNSISTEMA GASEOSO MEDIANTE LA PRIMERA LEY

F= FUERZA CONTRA EL PISTONv= velocidad de espansión del pistónP= PRESION DEL GASA= AREA DEL PISTONdV= cambio infinitesimal de volumen del gas

PARA UN FLUIDO(GAS O LIQUIDO) PODEMOS INTERPRETAR TRABAJO COMOLA INTEGRACION DE LA PRESION A TRAVES DE UN CAMBIO EN VOLUMEN

Ejemplo : expansión isotérmica de aire a temperatura de 27ºC :V1=1m^3, V2=2m^3, T=300K , n=40 moles ,R=8.2J/KDETERMINACION DE W Y DE Q CON LA PRIMERA LEY

=7E4 J

Q=W=7E4J

energia delambiente

energia delsistema

potencia térmica

fuerza

velocidad

potencia mecanica

temperatura delambiente temperatura del

sistema

potencia química

flujo de sustancias

1 LEY: LEYDE CONSERVACION DE ENERGIA: SISTEMAS ABIERTOS

•Propiedad acumulativa de un sistemaque expresa su capacidad para generarcambios físicos•propiedad que se conserva: lo que ganael sistema lo pierde el ambiente yviceversa•propiedad intercambiable con elambiente por tres procesos o flujos:flujode sustancias quimicas(potenciaquimica),flujo de trabajo(potenciamecanica) y flujo de calor(potenciatermica)•propiedad escalar que asume diversasformas que son mutuamentetransformables

Propiedad acumulativa que se conserva, peroque puede transformarse y / o pasar de uncuerpo a otro mediante trabajo, calor o unflujo de sustancias

ENERGIA:

FORMULACION GENERAL DE SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICALEY DE CRECIMIENTO DE LA ENTROPIA

Sistema

ambiente

QUniverso=sistema + ambiente

TODO SISTEMA MACROSCOPICO TIENEUNA PROPIEDAD ,LA ENTROPIA, TAL QUE EN TODOPROCESO NATURAL SU VALOR PARA EL UNIVERSOCRECE(PROCESO IRREVERSIBLE) O PERMANECEIGUAL(PROCESO REVERSIBLE)

0SSSSSS

AU

AU≥≥≥≥∆∆∆∆++++∆∆∆∆====∆∆∆∆

++++====

LA ENTROPIA , IGUAL QUE LA ENERGIA SE DEFINE POR SUCAMBIA EN UN PROCESO DEL SIGUIENTE MODO:

Calor intercambiado por sistema con ambiente

Temperatura absoluta del sistema

Q>0 si sistema absorbe calor y Q<0 si sistema libera calor

Unidades de S = cal / K

CALCULO DE CAMBIO DE ENTROPIA DEL UNIVERSO ENPROCESO IRREVERSIBLE A TEMPERATURA AMBIENTAL DE 27ºc

SISTEMA: 10 gm de hielo a 0ºC AMBIENTE: aire a 27ºC PROCESO: FUSION DEL HIELO

K/cal93.2K273º

g/cal80*g10hielo atemperatur

latente calorTQS ================∆∆∆∆

Q (calor absorbido del ambiente)

El cambio de entropia del ambiente(aire a 27ºC) es

El aumento de entropia del universo es:

Cubode hielo

Charcode agua

>0

CALCULO DE CAMBIO DE ENTROPIA DEL UNIVERSO EN AMBIENTEA TEMPERATURA DE -10ºC

SISTEMA: charco de 10 gm de agua a 0ºC AMBIENTE: aire a -10ºCPROCESO: CONGELACION DEL AGUA

Charcode agua

Trozode hielo

<0 Q

K/cal93.2K273º

g/cal80*g10agua atemperatur

latente calorTQS −−−−====−−−−============∆∆∆∆

El cambio de entropia del ambiente(aire a -10ºC) es

El aumento de entropia del universo es:

CALCULO DE CAMBIO DE ENTROPIA DEL UNIVERSO EN AMBIENTE A TEMPERATURA DE 0ºC

SISTEMA: 10 gm de hielo a 0ºC AMBIENTE: aire a 0ºC PROCESO: FUSION DEL HIELO

K/cal93.2K273º

g/cal80*g10hielo atemperatur

latente calorTQS ================∆∆∆∆

El cambio de entropia del ambiente(aire a 0ºC) es

273K-2.93cal/K

(-2.93) 0 cal / KEn estas condiciones el proceso ocurre reversiblemente y no se crea entropia

FORMULACION DINAMICA DE SEGUNDA LEY

ambiente aTemperaturcalor de flujo-ambiente al entropia de Flujo ====

sistema aTemperaturcalor de flujosistema al entropia de Flujo ====

Ejercicio Stella

MODELO CINETICO MOLECULAR DE EHRENFEST DEL INTERCAMBIO DECALOR EN GASES

GAS CALIENTE GAS FRIO

moleculacon movimiento

Moleculaen reposo

REGLA DE COLISIONES ENTRE MOLECULAS:CADA VEZ QUE UNA MOLECULA MOVIL CHOCA CONTRA LA PARED

QUE SEPARA LOS GASES , TRANSMITE SU ENERGIA CINETICA A UNA MOLECULA ENREPOSO DEL OTRO GAS PEGADA A LA PARED.

CONSTRUIR MODELO EN STELLA

MAPA CONCEPTUAL DEL MODELO CINETICO MOLECULAR DE EHERENFEST DELINTERCAMBIO DE CALOR ENTRE GASES

SUPUESTOS1. En cada gas hay dos clases de moleculas las activas( con energia cinetica) y lasinactivas(carentes de energia cinetica)2. En un tiempo suficientemente pequeño una molecula activa de un gas choca al azar contra lapared y transmite toda su energia a otra molecula en reposo en el otro gas pegada a la pared.3. La probabilidad de un choque es proporcional a la fraccion de moleculas activas en cada gas oa lo que es igual: a la energia cinetica promedio de una molecula en cada gas.

EVOLUCION MAS PROBABLE DEL SISTEMA

Gas A Gas B Gas A Gas B

BA T3T ==== BA TT ====

Estado inicial Estado final

ENTROPIA DE A+B INICIAL ENTROPIA DE A+B FINAL<DESORDEN INICIAL DESORDEN FINAL<

A NIVEL MOLECULAR LA ENTROPIA PUEDE INTERPRETARSE COMO UNINDICADOR DE DESORDEN

SIMULACION DEL MODELO PARA 1000 MOLECULAS EN CADA GASEQUILIBRAMIENTO DE TEMPERATURAS

CRECIMIENTO DE LA ENTROPIA TOTAL

EL CRECIMIENTO DE LA ENTROPIA NO ES MONOTONICO Y REGISTRA EN OCASIONES FLUCTUACIONESQUE REDUCEN POR TIEMPOS CORTOS LA ENTROPIA.

EL EQUILIBRIOTERMICO COINCIDECON EL ESTADO DE ENTROPIAMAXIMO

LA LEY DEENTROPIAES UNA LEYPROBABILISTA(CONDICIONADAPOR EL AZAR)

CARACTER PROBABILISTICO DE LA SEGUNDA LEY EN CONTRASTECON LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

LA PRIMERA LEY ES DETERMINISTA(NO ESTA SUJETA A FLUCTUACIONES DEBIDO ALAZAR) MIENTRAS QUE LA SEGUNDA LEY ES PROBABILISTA. SEGUN CRECE EL NUMERODE MOLECULAS DISMINUYE LA IMPORTANCIA DE LAS FLUCTUACIONES (LEY DE LOSGRANDES NUMEROS) Y LA SEGUNDA LEY LUCE CADA VEZ MAS COMO SI FUERA UNA LEYDETERMINISTA.

SIMULACION DEL MODELO PARA 10000 MOLECULAS

CRECIMIENTO DE ENTROPIA Y FLECHA DEL TIEMPO

EL AUMENTO UNIVERSAL Y CONTINUO EN LA ENTROPIA DELUNIVERSO ES PROBABLEMENTE LA RAZON QUE EXPLICA ELCARACTER IRREVERSIBLE DEL TIEMPO: SU FLUJO INEXORABLE DELPASADO AL FUTURO.

•A NIVEL MOLECULAR NO PODEMOS DISTINGUIR ENTRE PASADO YFUTURO PORQUE LAS LEYES DE LAS COLISIONES ENTRE LASMOLECULAS SON REVERSIBLES .•PUEDE PENSARSE ENTONCES QUE EL FLUJO UNIDIRECCIONAL DELTIEMPO ES UNA PROPIEDAD EMERGENTE DEL NIVEL MACROSCOPICO DELA REALIDAD

COMPATIBILIDAD DE LA LEY DE ENTROPIA CON LA EVOLUCION

•EL SURGIMIENTO DE UNA NUEVA ESPECIE POR UN PROCESO DESELECCION NATURAL SUPONE UNA REDUCCION DE LA ENTROPIA DELSISTEMA QUE EVOLUCIONA•COMO LOS SISTEMAS BILOGICOS NO SON AISLADOS Y ESTAN ENCONTINUA INTERACCION CON SU AMBIENTE, LA EVOLUCION DE UNANUEVA ESPECIE VA SIEMPRE ACOMPAÑADA DE UN AUMENTO EN LAENTROPIA DEL AMBIENTE.•BASTA QUE EL AUMENTO EN ENTROPIA DEL AMBIENTE SEA MAYORQUE LA DISMINUCION DE LA ENTROPIA DEL SISTEMA PARA ASEGURARQUE LA ENTROPIA DEL UNIVERSO(SISTEMA +AMBIENTE) CRECE Y QUEPOR TANTO LA EVOLUCION DE UNA NUEVA ESPECIE Y LA SEGUNDA LEYDE LA TERMODINAMICA SON COMPATIBLES .