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TermodinámicaTermodinámica
Capítulo 20Física Sexta edición Paul E. Tippens
Capítulo 20Física Sexta edición Paul E. Tippens
Calor y trabajoCalor y trabajo Función de la energía internaFunción de la energía interna Primera ley de la Primera ley de la
termodinámicatermodinámica El diagrama El diagrama P-VP-V Caso general para la Caso general para la
primera leyprimera ley Procesos adiabáticosProcesos adiabáticos Procesos isocóricosProcesos isocóricos
Procesos isotérmicosProcesos isotérmicos Segunda ley de la Segunda ley de la
termodinámicatermodinámica Ciclo de CarnotCiclo de Carnot La eficiencia de una La eficiencia de una
máquina idealmáquina ideal Máquinas de combustión Máquinas de combustión
internainterna RefrigeraciónRefrigeración
Calor y trabajoCalor y trabajo
Se incrementa la Se incrementa la energíaenergía interna interna de un sistema cuando realiza un de un sistema cuando realiza un trabajotrabajo.
Se incrementa la Se incrementa la energíaenergía interna interna de un sistema al proporcionarle de un sistema al proporcionarle calorcalor al sistema. al sistema.
Función de la energía internaFunción de la energía interna
Un sistema se encuentra en Un sistema se encuentra en equilibrio termodinámicoequilibrio termodinámico si no si no hay una fuerza resultante que actúe sobre el sistema y si la hay una fuerza resultante que actúe sobre el sistema y si la temperatura del sistema es la misma que la de sus alrededores.temperatura del sistema es la misma que la de sus alrededores.
U Q W U Q W U = cambio en la energía interna
Q = calor neto absorbido por el sistema
W = trabajo neto realizado por el sistema sobre sus alrededores
U = cambio en la energía interna
Q = calor neto absorbido por el sistema
W = trabajo neto realizado por el sistema sobre sus alrededores
Función de la energía Función de la energía interna, U:interna, U:
Primera ley de la termodinámicaPrimera ley de la termodinámica
UWQ UWQ
Q = calor neto absorbido por el sistema
W = trabajo neto realizado por el sistema sobre sus alrededores
U = cambio en la energía interna
Q = calor neto absorbido por el sistema
W = trabajo neto realizado por el sistema sobre sus alrededores
U = cambio en la energía interna
La energía La energía no puede crearse o destruirse no puede crearse o destruirse sólo transformarse sólo transformarse de una forma a otrade una forma a otra.
En cualquier proceso termodinámico, el En cualquier proceso termodinámico, el calor neto absorbidocalor neto absorbido por un sistema es igual a la suma del equivalente térmico del por un sistema es igual a la suma del equivalente térmico del trabajo realizadotrabajo realizado por el sistema y el cambio de por el sistema y el cambio de energía internaenergía interna del mismo.del mismo.
El diagrama P-VEl diagrama P-VCuando un Cuando un proceso proceso termodinámicotermodinámico implica cambios implica cambios en el volumen y/o en la presión, en el volumen y/o en la presión, el trabajo realizado por el el trabajo realizado por el sistema es igual al área bajo la sistema es igual al área bajo la curva en un diagrama P-V.curva en un diagrama P-V.
P
V
P1
P2
V1V2
Diagrama P-V
W P V W P V
Área bajo la curva P-V
Área bajo la curva P-V
Caso general para la primera leyCaso general para la primera ley
Primera ley:Primera ley:
Q W U Q W U En el En el caso más generalcaso más general, de algún modo las , de algún modo las tres tres cantidadescantidades están involucradas en cambios. están involucradas en cambios.
En En casos especialescasos especiales, sólo una o dos , sólo una o dos de las cantidades involucran cambios.de las cantidades involucran cambios.
Procesos adiabáticosProcesos adiabáticos
Un Un proceso adiabáticoproceso adiabático es aquel en el que no hay es aquel en el que no hay intercambio intercambio de energía térmicade energía térmica QQ entre un sistema y sus alrededores. entre un sistema y sus alrededores.
De la primera ley: Q = W + USi Q = 0 (proceso adiabático) entonces 0 = W + UPor lo tanto, W = -U
De la primera ley: Q = W + USi Q = 0 (proceso adiabático) entonces 0 = W + UPor lo tanto, W = -U
W = -UW = -U
También se dice que un También se dice que un proceso es adiabáticoproceso es adiabático cuando no hay cuando no hay intercambio intercambio dede calor calor entre el sistema y sus alrededores.entre el sistema y sus alrededores.
Procesos isocóricosProcesos isocóricos
Un Un proceso isocóricoproceso isocórico es aquel en el que el volumen del sistema es aquel en el que el volumen del sistema permanece constante.permanece constante.
De la primera ley: Q = W + USi W = 0 (proceso isocórico) entonces Q = + UPor lo tanto, Q = U
De la primera ley: Q = W + USi W = 0 (proceso isocórico) entonces Q = + UPor lo tanto, Q = U
Q = UQ = U
Procesos isotérmicosProcesos isotérmicos
Un Un proceso isotérmicoproceso isotérmico es aquel en el que la temperatura del es aquel en el que la temperatura del sistema permanece constante.sistema permanece constante.
De la primera ley: Q = W + USi U = 0 (proceso isotérmico) entonces Q = W +
Por lo tanto, Q = W
De la primera ley: Q = W + USi U = 0 (proceso isotérmico) entonces Q = W +
Por lo tanto, Q = W
Q = WQ = W
Segunda ley de la termodinámicaSegunda ley de la termodinámica
Segunda ley de la termodinámicaSegunda ley de la termodinámica
Es Es imposibleimposible construir una máquina que, funcionando de construir una máquina que, funcionando de manera continua, no produzca otro efecto que la extracción manera continua, no produzca otro efecto que la extracción de calor de una fuente y la realización de una cantidad de calor de una fuente y la realización de una cantidad equivalente de trabajo.equivalente de trabajo.
Woutput Q Qin outWoutput Q Qin out E
Q Q
Qin out
in
E
Q Q
Qin out
in
Woutput = trabajo de salidaQin = calor de entradaQout = calor de salida
Woutput = trabajo de salidaQin = calor de entradaQout = calor de salida
E = eficienciaQin = calor de entradaQout = calor de salida
E = eficienciaQin = calor de entradaQout = calor de salida
Ciclo de CarnotCiclo de Carnot
La La máquina demáquina de Carnot Carnot tiene la máxima eficiencia posible tiene la máxima eficiencia posible tratándose de una máquina que absorbe calor de una fuente tratándose de una máquina que absorbe calor de una fuente a alta temperatura, realiza trabajo externo y deposita calor a alta temperatura, realiza trabajo externo y deposita calor en un recipiente a baja temperatura.en un recipiente a baja temperatura.
Ciclo de Carnot:Ciclo de Carnot:
A-BA-B expansión isotérmica expansión isotérmica
B-CB-C expansión adiabática expansión adiabática
C-DC-D compresión isotérmica compresión isotérmica
D-ED-E compresión adiabática compresión adiabática
P
V
AB
CD
La eficiencia de una máquina idealLa eficiencia de una máquina ideal
UnaUna máquina ideal máquina ideal es aquella que tiene la más alta es aquella que tiene la más alta eficiencia posible para los límites de temperatura eficiencia posible para los límites de temperatura dentro de los cuales opera. dentro de los cuales opera.
ET T
Tin out
in
E
T T
Tin out
in
Mientras mayor sea la Mientras mayor sea la diferencia diferencia
de temperaturade temperatura entre los dos entre los dos recipientes, recipientes, mayor será la mayor será la eficienciaeficiencia de la máquina. de la máquina.
Máquinas de combustión internaMáquinas de combustión interna
Carrera de trabajo
V
P
V2 V1
Carrera de compresión
Carrera Carrera de de
admisiónadmisión
Carrera Carrera de de
compresióncompresión
Carrera Carrera de de
trabajotrabajo
Carrera Carrera de de
expulsiónexpulsión
RefrigeraciónRefrigeración
Q
W
Q
Q Qcold cold
hot cold
Q
W
Q
Q Qcold cold
hot cold
T
T Tcold
hot cold
T
T Tcold
hot cold
= coeficiente de rendimiento = coeficiente de rendimiento
Conceptos clave Conceptos clave
• Termodinámica Termodinámica • Diagrama P-VDiagrama P-V• Proceso adiabáticoProceso adiabático• Proceso isocóricoProceso isocórico• Máquina térmicaMáquina térmica• Refrigeración Refrigeración • Refrigerante Refrigerante • Compresor Compresor • Condensador Condensador • Evaporador Evaporador
• Función de energía internaFunción de energía interna• Primera ley de la Primera ley de la
termodinámicatermodinámica• Proceso de estrangulaciónProceso de estrangulación• Proceso isotérmico Proceso isotérmico • Segunda ley de la Segunda ley de la
termodinámicatermodinámica• Eficiencia térmica Eficiencia térmica • Ciclo de Carnot Ciclo de Carnot • Eficiencia de Carnot Eficiencia de Carnot • Coeficiente de rendimientoCoeficiente de rendimiento
Resumen de ecuaciones Resumen de ecuaciones
U Q W U Q W
W = -UW = -U
Q = UQ = U
Q = WQ = W
Woutput Q Qin outWoutput Q Qin out
EQ Q
Qin out
in
E
Q Q
Qin out
in
ET T
Tin out
in
E
T T
Tin out
in
Q
W
Q
Q Qcold cold
hot cold
Q
W
Q
Q Qcold cold
hot cold
T
T Tcold
hot cold
T
T Tcold
hot cold
Q W U Q W U
