TERMODINÁMICA.

1. Introducción a termodinámica y energía.

Definición de termodinámica: La palabra termodinámica proviene de los vocablos griegos thermos (calor) y dynamis (potencia), que describe los primeros esfuerzos por convenir el calor en potencia, Hoy día el mismo concepto abarca todos los aspectos de la energía y sus transformaciones, incluidas la producción de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia.La termodinámica se ocupa de la transformación de la energía térmica en energía mecánica y del proceso inverso, la conservación de trabajo en calor. La termodinámica desempeña un papel muy importante en la ciencia y en la tecnología por una razón muy simple: casi toda la energía disponible de las materias primas es liberada en forma de calor.

Definición de energía: La energía es la capacidad de un cuerpo o de un sistema de cuerpos de producir trabajo. Por ejemplo, un cuerpo deformado posee energía, puesto que puede realizar un trabajo volviendo a su forma inicial; análogamente, una carga de dinamita, la corriente eléctrica o la luz poseen energía, ya que producen trabajo explotando, accionando un motor o poniendo en funcionamiento un dispositivo mediante una célula fotoeléctrica. La energía reviste múltiples formas unificadas por el concepto de trabajo. La energía se manifiesta en varias formas, entre ellas la energía mecánica, térmica, química, eléctrica, radiante, o atómica Todas las formas de energía pueden convertirse en otras formas mediante los procesos adecuados. En el proceso de transformación puede perderse o ganarse una forma de energía, pero la suma total permanece constante. Las observaciones empíricas del siglo XIX llevaron a la conclusión de que aunque la energía puede transformarse no se puede crear ni destruir. Este concepto, conocido como principio de conservación de la energía, constituye uno de los principios básicos de la mecánica clásica. Por ejemplo, una roca que cae desde un despeñadero, adquiere velocidad debido a que su energía poten-cial se convierte en energía cinética (figura1.1). La conservación de la energía también forma la columna vertebral de la industria dietética: una persona que tiene una entrada de energía mayor (alimentos) que su salida de energía (ejercicio) ganará peso (energía almacenada en forma de grasa), y una persona que tenga una entrada de energía más pequeña que la salida perderá peso (figura 1.2).

Fig. 1.1 Fig. 1.2

Áreas de aplicación de la termodinámica: No es necesario ir muy lejos para encontrar algunas áreas de aplicación de la termodinámica (figura 1.3). Estas áreas están justo donde uno vive. Muchos utensilios y aparatos domésticos se diseñan, por completo o en parte, con aplicación en los principios de la termodinámica. Entre otros ejemplos se encuentran la estufa eléctrica, los sistemas de calefacción o de aire acondicionado, el refrigerador, el humidificador, la olla de presión, el calentador de agua, la regadera, la plancha, la TV, e incluso la computadora. A una escala mayor, la termodinámica desempeña un papel primordial en el diseño y análisis de motores de automóvil, cohetes, máquinas de chorro y centrales eléctricas o nucleares. También se puede considerar al cuerpo humano como un área interesante de aplicación de la termodinámica.Principalmente la termodinámica tiene como áreas de aplicación aquellas en las que se requiera la conversión de calor en trabajo o potencia y también es empleada en la refrigeración y calefacción. Se pueden abarcar muchas aplicaciones, pero de manera general las áreas que comprenden las aplicaciones de la termodinámica son en el estudio del rendimiento y viabilidad de reacciones energéticas y químicas (química) y en el estudio de las propiedades térmicas de los sistemas (física).

Fig. 1.3 Aplicaciones de la termodinámica

2. Sistemas y volúmenes de control.

Definición de sistemas: Un sistema termodinámico, o simplemente, un sistema, es una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para estudio. La masa o región fuera del sistema recibe el nombre de alrededores, La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama la frontera. Estos términos se ilustran en la figura 1.4. La frontera de un sistema es fija o móvil. Observe que la frontera es la superficie de contacto compartida tanto por el sistema como por los alrededores. En términos matemático la frontera tiene espesor cero y, por ello no contiene ninguna masa ni ocupa ningún volumen en el espacio.

Fig. 1.4

Clasificación de los sistemas: Los sistemas termodinámicos principalmente pueden clasificarse como sistemas abiertos o sistemas cerrados. Lo anterior dependerá si se elige una masa fija o un volumen fijo en el espacio para el estudio.

-Sistema cerrado: También conocido como masa de control, consiste en una cantidad fija de masa que de ella puede cruzar su frontera. Esto es, ninguna masa puede entrar o abandonar un sistema cerrado, como en la figura 1.5. En este sistema, la energía en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera y por ello el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo.*Ejemplo: Considérese el dispositivo del émbolo-cilindro que muestra la figura 1.6. y nos interesaría saber que sucede al gas encerrado cuando se calienta. Como nuestra atención está centrada en el gas, éste es nuestro sistema. Las superficies interiores del émbolo y del cilindro forman las fronteras, y puesto que ninguna masa las cruza es un sistema cerrado. La energía puede atravesar la frontera, y parte de la frontera puede moverse (la superficie interna del émbolo). Todo lo que está afuera del gas, incluso el émbolo y el cilindro, constituyen los alrededores.

Fig. 1.5 Fig. 1.6

-Sistema aislado: Es un sistema cerrado en el cual a la energía (en forma de calor o trabajo), ya sea que provenga del exterior o que sea de salida, no se le permite cruzar la frontera de dicho sistema, haciendo de este un caso especial. Solo se conoce un sistema aislado. El universo. No se pueden crear sistemas aislados, es un ideal, solo podemos manejarlos en forma de abstracciones matemáticas o emularlos en la realidad de forma imperfecta.

-Sistema abierto: También conocido como volumen de control, es una región seleccionada en el espacio. Usualmente encierra a un dispositivo que comprende un flujo de masa como un compresor, una turbina o una tobera. El flujo a través de estos dispositivos se estudia mejor al seleccionar la región dentro del dispositivo como el volumen de control. Tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de un volumen de control, la cuál se denomina superficie de control, ilustrada en la figura 1.7. *Ejemplo: Considérese el calentador de agua en la figura 1.8. Se quiere determinar cuánto calor se debe transferir al agua que está en el tanque para suministrar un flujo permanente de agua caliente. Puesto que saldrá agua caliente del tanque y será sustituida por agua fría no conviene elegir una masa fija como sistema para el análisis. En vez de ello, es posible concentrarse en el volumen formado por las superficies interiores del tanque y considerar los flujos de agua caliente y fría como la masa que entra y sale al volumen de control. En este caso la superficie interior del tanque forma la superficie de control y la masa cruza la superficie de control en dos proporciones.

Fig. 1.7 Fig. 1.8

3. Propiedades de un sistema.

Definición de propiedad: Cualquier característica de un sistema se denomina propiedad. Algunos ejemplos son la presión P, la temperatura T, el volumen V y la masa m. La lista puede ampliarse hasta incluir algunas menos familiares, como la viscosidad, la conductividad térmica, el módulo de elasticidad e coeficiente de expansión térmica, la resistividad eléctrica e incluso la velocidad y la altura. No obstante, no todas las propiedades son independientes. Algunas se definen en términos de otras. Por ejemplo, la densidad se define como masa por unidad de volumen.

-Propiedades intensivas: Son aquellas que varían de punto a punto del sistema o bien no dependen de la masa total. Por ejemplo, la temperatura es una propiedad intensiva. También podría serlo el voltaje. Las propiedades intensivas son independientes del tamaño del sistema, como la temperatura, la presión o la densidad (figura1.9).-Propiedades extensivas: Son aquellas propiedades que dependen de la masa total del sistema. Por ejemplo, la masa es una propiedad extensiva, como también lo es la cantidad total de energía cinética que tiene, o el momento de inercia. etc. -Propiedades específicas: Son las propiedades extensivas por unidad de masa. Algunos ejemplos de propiedades específicas son el volumen específico (v=V/m), la energía total específica (e=E/m), y la energía interna específica.

Fig. 1.9

Fig.1.10

Para determinar si una propiedad es intensiva o extensiva es dividir el sistema en dos partes iguales, con una separación (figura 1.10). Cada parte tendrá el mismo valor de propiedades intensivas que el sistema original, pero la mitad del valor de las propiedades extensivas.

Generalmente, las letras mayúsculas se utilizan para denotar propiedades extensivas (la masa m es una excepción) y las letras minúsculas para las propiedades intensivas (la presión P y la temperatura T son excepciones).

4. Estado y equilibrio.

Definición de estado: El estado de un sistema es definido por el conjunto de valores que adquieren aquellas propiedades de sistema que pueden variar. Por ejemplo, el estado de un automóvil queda definido (entre otras variables) por su posición geográfica, velocidad (y dirección), aceleración, potencia que está desarrollando el motor, cantidad de combustible en el tanque, masa total (incluyendo ocupantes y carga), marcha (cambio) que está desarrollando, etc.En un estado dado, todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos. Si el valor de alguna propiedad cambia, el estado cambiará a uno diferente. En la figura 1.11 se muestra un sistema en dos estados diferentes.

Fig. 1.11 Fig. 1.12

Equilibrio termodinámico: La termodinámica estudia estados en equilibrio. La palabra equilibrio implica un estado de balance. En un estado de equilibrio no hay potenciales desbalanceados (o fuerzas accionadoras) dentro del sistema. Un sistema que está en equilibrio no experimenta cambios cuando se encuentra aislado de sus rededores. Hay muchos tipos de equilibrio y un sistema está en equilibrio termodinámico si las condiciones de todos los tipos relevantes de equilibrio se satisfacen (Fig. 1.12). Cuando un sistema se encuentra en equilibrio, posee una energía interna U.

-Equilibrio térmico: Un sistema está en equilibrio térmico si la temperatura es la misma en todo el sistema, como muestra la figura 1.13. Es decir, el sistema no implica diferenciales de temperatura, que son la fuerza accionadora para el flujo térmico. Si las diferentes partes de un sistema están a diferente temperatura, se dice que el sistema no está en equilibrio térmico. En el equilibrio térmico, las diferentes partes de un sistema están a la misma temperatura, y esta es igual a la de su entorno. Si no se cumplen estas condiciones el sistema cambiará de estado hasta alcanzar el equilibrio.

Fig. 1.13

-Equilibrio mecánico: Cuando en el interior de un sistema la suma de fuerzas no es cero, el sistema no está en equilibrio, y se producen aceleraciones de unas partes del sistema respecto de otras. Lo mismo ocurre cuando la suma de fuerzas ejercidas desde el exterior sobre un sistema no está equilibrada. Por el contrario, si la suma de fuerzas tanto interiores como exteriores sobre un sistema es nula, el sistema está en equilibrio mecánico (figura 1.14). Un sistema en equilibrio mecánico no tiende espontáneamente a cambiar su estructura interna. El equilibrio mecánico se relaciona con la presión, y un sistema está en equilibrio mecánico si no hay cambio en la presión en ningún punto del sistema con el tiempo. Sin embargo, la presión puede variar dentro del sistema con la altura como resultado de los efectos gravitacionales. Pero la presión más alta en una capa inferior se equilibra mediante el peso extra que debe soportar y, en consecuencia, no hay desbalance de fuerzas. La variación de la presión como resultado de la gravedad, en la mayor parte de los sistemas termodinámicos, es relativamente pequeña y suele pasarse por alto.

Fig. 1.14. Sistema en equilibrio mecánico. La fuerza balancea la presión del interior.

-Equilibrio químico: Un sistema está en equilibrio químico si su composición química no cambia con el tiempo. Si las sustancias que existen en el sistema reaccionan químicamente entre sí el sistema sufrirá variaciones de su composición y eventualmente se producirán movimientos y turbulencias de una parte a otra del sistema. Si por el contrario, las sustancias del sistema no reaccionan químicamente entre sí se dice que el sistema está en equilibrio químico.

-Equilibrio de fase: Si un sistema implica dos fases, se encuentra en equilibrio de fase cuando la masa de cada fase alcanza un nivel de equilibrio y permanece constante.

Postulado de Estado: El estado de un sistema se describe por medio de sus propiedades. Pero no es necesario especificar todas las propiedades para fijar un estado. Una vez que se especifica un número suficiente de propiedades, el resto de ellas asume ciertos valores de manera automática. La especificación de cierto número de propiedades es suficiente para fijar un estado. El número de propiedades que se requieren para fijar el estado de un sistema está dado por el postulado de estado:

El estado de un sistema compresible simple se especifica completamente por dos propiedades intensivas independientes.

El postulado de estado requiere que las dos propiedades específicas sean independientes para fijar el estado. Y son independientes si una de ellas varía en tanto que la otra se mantiene constante. La temperatura y el volumen específico, por ejemplo, siempre son propiedades independientes y ambas pueden fijar el estado de un sistema compresible simple (figura 1.15). La temperatura y la presión son propiedades independientes en sistemas de una sola fase, pero son dependientes en sistemas multifase. A nivel del mar (P = 1 atm), el agua hierve a 100°C, pero en la cima de una montaña, donde la presión es menor, el agua hierve a una temperatura más baja. Esto es, T = fP

durante un proceso de cambio de fase, por lo que la temperatura y la presión no son suficientes para fijar el estado de un sistema bifásico.

Fig. 1.15

5. Procesos y ciclos.

Definición de proceso y trayectoria: Un proceso es cualquier cambio que experimente un sistema de un estado de equilibrio a otro. La serie de estados por la cual pasa un sistema durante un proceso recibe el nombre de trayectoria del proceso (figura 1.16). Para describir por completo un proceso, deben especificarse sus estados inicial y final así como la trayectoria que sigue y las interacciones con los alrededores.

Fig. 1.16

*Ejemplo de un proceso termodinámico: En la figura 1.17, vamos a considérese un proceso termodinámico en el cual un sistema es obligado a cambiar de un estado de equilibrio 1 a un estado de equilibrio 2. En la figura 1.17a el sistema se encuentra en equilibrio termodinámico con una energía interna inicial U1 y sus coordenadas termodinámicas (P1, V1, T1,}. En la figura 1.17b el sistema reacciona con sus alrededores. El calor Q puede ser absorbido por el sistema y/o liberado a su medio ambiente. El calor se considera positivo para el calor de entrada y negativo para el calor de salida. El calor neto absorbido por el sistema se representa por ΔQ. El trabajo W puede ser realizado por el sistema, sobre el sistema o ambas cosas. El trabajo de salida se considera positivo y el trabajo de entrada se considera negativo. Por lo tanto, ΔW representa el trabajo neto realizado por el sistema (trabajo de salida). En la figura 1.17c el sistema alcanzado su estado final 2 y de nuevo está en equilibrio, con una energía interna final U2. Sus nuevas coordenadas termodinámicas son (P2, V2, T2).

Figura 1.17. Diagrama esquemático de un proceso termodinámico

-Proceso cuasiestático o cuasiequilibrio: Se le llama proceso cuasiestático o de cuasiequilibrio en el cual el sistema permanece infinitesimalmente cercano a un estado de equilibrio. Un proceso de cuasiequilibrio se considera un proceso lo suficientemente lento, que permite al sistema realizar un ajuste interno de manera que las propiedades en una parte de él no cambien más rápido que en otras partes. *Ejemplo de cuasiequilibrio (figura 1.18): Cuando un gas en un dispositivo de cilindro-émbolo es comprimido de repente, las moléculas cercanas a la cara del émbolo no tendrán el tiempo suficiente, para escapar y se acumularán en una pequeña región enfrente del émbolo, creando así una región de alta presión. Debido a esta diferencia de presión, el sistema ya no está en equilibrio, por lo que todo el proceso no es de cuasiequilibrio. Sin embargo, si el émbolo se mueve con lentitud, las moléculas tendrán tiempo suficiente para distribuirse y no habrá un amontonamiento de moléculas frente al émbolo, Como resultado, la presión dentro del cilindro siempre será uniforme y aumentará a la misma tasa en todos los puntos. Puesto que el equilibrio se mantiene todo el tiempo, es un proceso de cuasiequilibrio.

Fig. 1.18

Un proceso de cuasiequilibrio constituye un caso idealizado y no la representación de un proceso real. Pero varios procesos reales tienden a él y pueden modelarse como de cuasiequilibrio con un error insignificante. Los procesos de cuasiequilibrio son fáciles de analizar; además, los dispositivos que producen trabajo entregan la mayor cantidad del mismo cuando operan en procesos de cuasiequilibrio (figura 1.19), Por tanto, los procesos de cuasiequilibrio sirven como modelos para comparar procesos reales.

Fig. 1.19

Los diagramas de proceso que se grafican a partir de propiedades termodinámicas, como coordenadas son muy útiles en la visualización del proceso. Algunas propiedades comunes que se utilizan como coordenadas son la temperatura T, La presión P y el volunten V (o volumen específico v). La figura 1.20 muestra un diagrama P-V de un proceso de compresión de un gas.

Fig. 1.20

La trayectoria del proceso indica una serie de estados de equilibrio, por los cuales pasa el sistema durante un proceso y tiene importancia sólo para los procesos de cuasiequilibrio. En procesos que NO son de cuasiequilibrio, no es posible especificar los estados por los cuales pasa el sistema durante el proceso y por ello no es posible hablar de una trayectoria del proceso. Un proceso de no cuasiequilibrio se denota mediante una línea Interrumpida entre tos estados inicial y final en vez de una línea continua.

-Proceso isotérmico: Un proceso isotérmico es aquel en el que la temperatura del sistema permanece constante. Si no hay cambio de fase, una temperatura constante indica que no hay cambio en la energía interna del sistema. Si se aplica la primera ley de la termodinámica a un proceso en el que ΔU = 0, se obtiene que: ΔQ = ΔW.Por lo tanto, en un proceso isotérmico toda la energía absorbida por un sistema se convierte en trabajo de salida.

En el proceso isotérmico es posible que la presión y el volumen varíen sin que cambie la temperatura, por ejemplo en un gas. Un gas se puede comprimir en un cilindro en forma tan lenta que prácticamente permanece en equilibrio térmico con sus alrededores. La presión aumenta a medida que el volumen disminuye, pero la temperatura es prácticamente constante (figura 1.21).

Fig. 1.21. Proceso isotérmico = Temperatura constante Fig. 1.22. Proceso isobárico = P constante

-Proceso isobárico: Un proceso isobárico es un sistema termodinámico a presión constante. El agua que hierve en un recipiente abierto a la atmósfera es un ejemplo de proceso isobárico (Iso = mismo, barico = presión). Las variables que cambian en este proceso son el volumen, y la energía interna. La variación de calor en cualquier proceso termodinámico cumple con la conservación de la energía: ΔQ = ΔU + W, donde:

ΔQ = variación de calor; ΔU = variación de la energía; W = Trabajo

Por lo tanto, la variación de calor en un proceso isobárico sería la siguiente: ΔQ = ΔU + PΔVEl 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.

-Proceso isocórico: Un proceso isocórico es aquel en el que el volumen del sistema permanece constante. Este es un caso especial para la primera ley termodinámica. Se presenta cuando no se realizó trabajo ni por el sistema ni sobre el sistema. También recibe el nombre de proceso isovolumétrico puesto que no puede de haber cambio en el volumen sin la realización de trabajo.Aplicando la primera ley en un proceso termodinámico en el que ΔW = 0, obtenemos: ΔQ = ΔU.Por lo tanto, en un proceso isocórico toda la energía térmica absorbida por un sistema incrementa su energía interna, En este caso generalmente hay un incrementó en la temperatura del sistema.

*Ejemplo de proceso isocórico: Un proceso isocórico ocurre cuando se calienta agua en un recipiente a volumen fijo, como muestra la figura 1.23. A medida que se suministra calor, el aumento en la energía interna da por resultado una elevación en la temperatura del agua hasta que ésta empieza a hervir. Si se continúa incrementando la energía interna, se pone en marcha el proceso de vaporización. Sin embargo, el volumen del sistema, formado por agua y vapor, permanece constante y no se realiza trabajo externo.

Fig. 1.23

Cuando se retira la flama, el proceso se invierte a medida que el calor deja el sistema a través del fondo del cilindro. El vapor de agua se condensará y la temperatura del agua resultante llegará a ser igual a la temperatura ambiente. Este proceso representa una pérdida de calor y el correspondiente descenso en energía interna, pero, nuevamente, no se realiza trabajo.

Definición de ciclo: Se entiende por ciclo cuando un sistema regresa a su estado inicial al término de un proceso. En un ciclo. Los estados inicial y final son idénticos. El ciclo en la figura 1.24a se compone de dos procesos y el de la figura 1.24b consta de cuatro procesos.

Fig. 1.24

6. Leyes de termodinámica.

Ley cero de la termodinámica: El llamado principio cero de la termodinámica, que se explica a continuación, proporciona una definición precisa, aunque empírica, de la temperatura.

A este principio se le llama del equilibrio termodinámico. Si dos sistemas A y B están en equilibrio termodinámico, y B está en equilibrio termodinámico con un tercer sistema C, entonces A y C están a su vez en equilibrio termodinámico (figura 1.25). Este principio es fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición 0.

Fig. 1.25. Ley Cero de la Termodinámica

Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura.Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito que se encuentra a una temperatura determinada, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste. La temperatura se mide con dispositivos llamados termómetros. Un termómetro se construye a partir de una sustancia con estados fácilmente identificables y reproducibles, por ejemplo el agua pura y sus puntos de ebullición y congelación en condiciones normales. Si se traza una escala graduada entre dos de estos estados, la temperatura de cualquier sistema se puede determinar poniéndolo en contacto térmico con el termómetro, siempre que el sistema sea grande en relación con el termómetro.

Primera ley de la Termodinámica: En el concepto de energía se apuntó que ésta no puede crearse ni destruirse; sólo puede transformarse, Este principio parte de observaciones experimentales y se conoce como la primera ley de la termodinámica o el principio de conservación de la energía. La primera ley puede establecerse del modo siguiente: Durante la interacción entre un sistema y sus alrededores, la cantidad de energía ganada por el sistema debe ser exactamente igual a la energía perdida por su entorno. La energía puede cruza la frontera de un sistema cerrado en dos formas distintas: calor y trabajo (figura 1.26).

Fig. 1.26

Aplicando esta primera ley a un proceso termodinámico, observamos que ΔQ = ΔW + ΔU;En donde ΔQ es el incremento de calor, ΔW es el trabajo realizado por el sistema y ΔU es el incremento de la energía interna del sistema.*Ejemplo de aplicación de la primera ley de la termodinámica: : En un determinado proceso, un sistema absorbe 400 cal de calor y al mismo tiempo realiza un trabajo de 80 J sobre sus alrededores. ¿Cuál es el incremento de la energía interna del sistema?Aplicando la primera ley se tiene que: ΔU = ΔQ – ΔW ΔU = 400 cal – 80 J X 1cal/ (4,186 J) ΔU= 400 cal – 19,1 cal = 380,9 cal

Por consiguiente, las 400 cal de energía térmica de entrada se usan para realizar 19,1 cal de trabajo, mientras la energía interna del sistema se incrementa en 380,9 cal. La energía se conserva.

Segunda Ley de la termodinámica: Es una experiencia común que una tasa de café dejada en un cuarto frío se enfría después de cierto tiempo (figura 1.27). Este proceso satisface la primera ley de la termodinámica porque la cantidad de energía perdida por el café es igual a la cantidad de energía ganada por el aire circundante. Ahora considere el proceso inverso, el café caliente se pone más caliente en un cuarto más frío como resultado de la transferencia de calor del aire del cuarto. Todos saben que este proceso nunca sucede. No obstante, si se diera no violaría la primera ley, siempre que la cantidad de energía perdida por el aire fuera igual a la cantidad ganada por el café.

Fig. 1.27

Del ejemplo anterior se sigue que el proceso toma su curso en cierta dirección y no en la dirección inversa. La primera ley restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que el proceso ocurra realmente. En el ejemplo anterior se quiere decir que es imposible conseguir más trabajo por parte de un sistema que el calor que se le suministra al sistema. Esta incapacidad de la primera ley de identificar si un proceso puede llevarse a cabo es remediado al introducir otro principio general que establezca que no es posible convertir el 100% de la energía térmica en trabajo útil: La segunda ley de la termodinámica.

La segunda ley de la termodinámica puede enunciarse como sigue: “Es imposible construir una máquina que, funcionando de manera continua, no produzca otro efecto que la extracción de calor de una fuente y la realización de una cantidad equivalente de trabajo”

Tercera ley de la termodinámica: La tercera ley de la termodinámica afirma que el cero absoluto no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él. También se establece en este principio que al alcanzar el cero absoluto (0K) cualquier sistema se detiene y la entropía puede alcanzar un valor constante. La entropía es una magnitud termodinámica que mide la parte no utilizable de la energía contenida en un sistema; también se representa como la medida del desorden de un sistema.

Máquinas térmicas: En el desarrollo de la segunda ley de la termodinámica es conveniente tener un cuerpo hipotético con una capacidad de energía térmica (masa x. calor especifico) grande que pueda suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin que sufra ningún cambio de temperatura. Un cuerpo con esa característica se llama depósito de energía térmica, o sólo deposito. En la práctica, los grandes cuerpos de agua como los océanos, lagos y ríos, así como el aire atmosférico, precisamente, pueden modelarse como depósitos de energía térmica debido a sus grandes capacidades de almacenamiento de energía térmica o de masas térmicas.Un cuerpo no tiene que ser muy grande para ser considerado como un depósito. Cualquier cuerpo físico cuya capacidad de energía térmica sea grande con respecto de la cantidad de energía que suministra o absorbe puede modelarse como un depósito.Una fuente es aquel depósito que suministra energía en forma de calor, y uno que absorbe energía en forma de calor es llamado sumidero (figura 1.28).

Fig. 1.28 Fig. 1.29

El trabajo puede convertirse fácilmente en otras formas de energía, pero convertir otras formas de energía en trabajo no es así de sencillo, Por ejemplo, el trabajo mecánico efectuado por el eje que se muestra en la figura 1.29 se convierte primero en la energía interna del agua. Después esta energía sale del agua convertida en calor. Transferir calor al agua no provocará el movimiento del eje. De ésta y otras observaciones se concluye que el trabajo es convertido en calor directa y completamente, pero que convertir el calor a trabajo requiere el uso de algunos dispositivos especiales. Estos dispositivos se llaman máquinas térmicas.Las máquinas térmicas difieren considerablemente unas de otras, pero todas se caracterizan por lo siguiente (figura 1.30):1.-Reciben calor de una fuente de alta temperatura (energía solar, hornos, petróleo, reactores nucleares, etcétera),2.-Convierten parte de este calor en trabajo (normalmente en te forma de un eje en rotación),3.-Liberan el calor de desecho remanente en un sumidero de baja temperatura (la atmósfera, ríos, etcétera),4.-Operan en un ciclo.

Fig. 1.30

Las máquinas térmicas incluyen un fluido desde el cual el calor se transfiere mientras se somete a un ciclo. Este fluido recibe el nombre de fluido de trabajo.

El dispositivo productor de trabajo que mejor encaja en la definición de máquina térmica es la central eléctrica de vapor, que es una máquina de combustión externa. El proceso de combustión sucede fuera de la máquina, y la energía térmica liberada durante este proceso se transfiere al vapor como calor. El dibujo esquemático de una central eléctrica de vapor se muestra en la figura 1.31.

Fig. 1.31

El rendimiento de una máquina térmica es el cociente entre la energía mecánica producida y el calor tomado del foco caliente. Las máquinas térmicas tienen rendimientos muy bajos, ya que tan sólo una pequeña parte del calor producido se puede transformar en trabajo, y el resto se utiliza en calentar el fluido que pone en movimiento a la máquina, en vencer el rozamiento de las piezas que la componen o simplemente se disipa al ambiente en forma de calor.Una máquina térmica perfecta realizaría un ciclo ideal en el que todo el calor se convertiría en energía mecánica. El físico e ingeniero francés Nicolás L. Sadi Carnot, que concibió un ciclo termodinámico que constituye el ciclo básico de todas las máquinas térmicas, demostró que no puede existir esa máquina perfecta. El ciclo de Carnot está constituido por cuatro operaciones: una expansión isoterma, una expansión adiabática, una compresión isoterma y una compresión adiabática (figura 1.32).

Fig. 1.32

Instituto Tecnológico de Celaya

Materia: Física

Nombre del tema: Termodinámica

Docente: MCII Gicela Núñez Rojas

Nombre del alumno: Santiago Flores García

23 de Mayo de 2009

Fuentes de consulta, bibliografía:

Termodinámica – Tomo I – Yunus A. Cengel – Mc Graw Hill - Segunda Edición

Física: Conceptos y aplicaciones – Tippens – Mc Graw Hill – Quinta edición

Enciclopedia Salvat - Tomo 5 E-FER 1971 - Definición de la energía

Enciclopedia Encarta 2003: Termodinámica - Definición de la termodinámica - Proceso isobárico -Ley cero termodinámica - Tercera ley de la termodinámica - Maquinas térmicas

http://forum.lawebdefisica.com/showthread.php?t=3068 - Aplicaciones de la termodinámica

http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/villamar/MATERIAS%20DICTADAS/MATERIAL%20DE%20APOYO/Transparencias%20CONCEPTOS%20BASICOS.pdf - Aplicaciones de la termodinámica

http://rufo.bitacoras.com/archivos/2005/10/28/segunda-ley-de-la-termodinamica-entropia - Ejemplo de sistema aislado

http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_02/cap_02.htm - Propiedades del sistema - Definición de estado

http://ichasagua.dfis.ull.es/docencia/itm/termodinamica/definiciones.htm - Equilibrio térmico y mecánico y químico

http://ocw.mit.edu/ans7870/16/16.unified/thermoF03/chapter_2_files/image010.png - Equilibrio mecánico

http://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_isob%C3%A1rico - Proceso isobárico