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TERMODINAMICA
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LOS PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA
INTRODUCCIÓNEl funcionamiento de las máquinas térmicas y frigoríficas se
basan en los dos principios de la termodinámica.
Las máquinas térmicas son capaces de producir trabajo
mecánico sin recurrir a fuente alguna de energía, o bien
extrayendo energía de una sola fuente.
Como curiosidad señalar que la máquina de vapor fue
construida con anterioridad al establecimiento de la
termodinámica. En este caso la aplicación práctica (TÉCNICA)
surgió antes que el descubrimiento teórico (CIENCIA),en
otras ocasiones es la tecnología quien desarrolla y busca
aplicaciones prácticas a un descubrimiento teórico.
CIENCIA+TÉCNICA=TECNOLOGÍA
CALOR Y TEMPERATURA
El calor es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, es una energía en tránsito, por eso no tiene sentido hablar de calor almacenado en un cuerpo.
● La temperatura es una magnitud física que depende de la velocidad media
de las partículas que constituyen el cuerpo (moléculas).Cuanto mayor sea la
velocidad de las partículas mayor será su energía interna y por tanto su
temperatura.
TERMODINÁMICA
SISTEMA TERMODINÁMICO
La termodinámica estudia las propiedades que se conocen
como variables termodinámicas (composición y
concentración de los componentes, presión, volumen,
temperatura), que se refieren al comportamiento global de
un número muy elevado de partículas y que definen el
llamado estado del sistema.
Cuando estas variables tienen un valor definido para cada
estado del sistema sin depender de los procesos que este
haya experimentado reciben el nombre de funciones de
estado.
TRANSFORMACIONES DE UN SISTEMA TERMODINÁMICO
Las transformaciones
de un sistema
termodinámico desde
un estado inicial a otro
final pueden tener lugar
de distintas formas que
se representan
gráficamente en un
diagrama P-V.
γ es el coeficiente adiabático y se calcula: CP/CV
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
En el ejemplo, al calentar el agua el tapón sale lanzado. El calor transmitido al agua se transforma en:
-Lanzar el tapón (trabajo mecánico)
-Aumentar la energía interna de las moléculas de agua
CALOR MOLAR (ESPECÍFICO) A PRESIÓN Y VOLUMEN CONSTANTE
CÁLCULO DEL TRABAJO DE EXPANSIÓN, CALOR INTERCAMBIADO Y VARIACIÓN DE ENERGÍA INTERNA EN ALGUNAS TRANSFORMACIONES DE GASES IDEALES.
La variación de energía interna es independiente de las variaciones de presión y temperatura (ejemplo página 153).
Q=Wexp
2º PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
hay muchos enunciados equivalentes de la segunda ley de la termodinámica:
(1) Un sistema aislado evoluciona de forma natural hacia las configuraciones más probables.
(2) Un sistema aislado evoluciona de forma natural hacia la redistribución de la energía
disponible equitativamente entre sus partes.
(3) En los sistemas aislados, el calor fluye de los cuerpos calientes a los fríos.
(4) La capacidad de un sistema aislado de convertir calor en trabajo decrece constantemente.
(5) Aunque la energía se conserva, la energía disponible en cualquier sistema aislado siempre
disminuye.
(6) Los sistemas aislados evolucionan en el sentido en el que incrementan su entropía
(disminuyen su orden).
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Hay que darse cuenta de que la energía calorífica puede utilizarse para elevar una masa y realizar trabajo, sólo porque había una diferencia de temperaturas entre los dos gases.
Si inicialmente los gases hubieran estado a la misma temperatura, entonces el sistema habría estado en equilibrio y no habría habido flujo de calor.
Podría existir una gran cantidad de energía calorífica presente en ambos gases, en forma de movimientos moleculares, pero la energía no podría utilizarse para realizar trabajo.
Si el calor no fluye, el peso no se puede elevar.
El caso en el que las dos temperaturas son iguales, produciría el mismo efecto que salir de la ducha y tratar de secarse con una toalla húmeda. Si la toalla está tan húmeda como tú, no te podrás secar.
NO EXISTE UNA MÁQUINA CAPAZ DE CONVERTIR EL CALOR
EN TRABAJO A EXPENSAS DE UNA SOLA FUENTE
CONSECUENCIAS A NIVEL GLOBAL
Ya que el calor fluye continuamente de los cuerpos calientes a
los fríos en todos los lugares del universo, como dice la segunda
ley de la termodinámica, el universo pierde gradualmente su
capacidad de realizar trabajo.
La cantidad total de energía disponible disminuye constantemente.
No sólo es que todas las máquinas del universo se estén
descargando, sino que además la capacidad de reconvertir el
calor resultante en trabajo se reduce con el tiempo.
No hay forma de eludir la unidireccionalidad de la segunda ley de
la termodinámica.
Esta implicación sorprendente de la segunda ley, que ha intrigado
y alarmado a la gente desde mediados del siglo xIx, se ha
denominado la «muerte térmica» del universo.
Aún se debate entre los físicos de qué manera se aplica la segunda
ley de la termodinámica al universo como un todo.
MÁQUINAS TÉRMICAS
El deseo de construir máquinas tan eficientes como
fuera posible fue el motivo de gran parte de la
comprensión de la segunda ley.
La primera de estas investigaciones la realizó el
científico, físico e ingeniero francés Sadi Carnot
(memoria clásica «Reflections on the Motive Power of
Fire(*)» (1824) )una vez que la revolución industrial
estaba a pleno ritmo.
En particular, Carnot quería saber la eficiencia teórica
máxima de una máquina térmica (dispositivo que
puede realizar trabajo movido por calor, llamado motor
térmico.) (*)Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia
CICLO DE CARNOT
La entropía es una magnitud que determina el grado
de desorden de un sistema. ΔS=Q/T
La tendencia en la naturaleza es a evolucionar a estados de mayor desorden
En el próximo tema veremos las aplicaciones del ciclo
de Carnot: Máquina térmica y máquina frigorífica
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