Conceptos básicos de la Termodinámica

Introducción
En este ensayo presentare todo sobre la termodinámica intentando que sea de buen agrado para la persona
que lo lea, se tratara información completa y detallada sobre la termodinámica y todos sus componentes. Se
mostrará mucha información resumida para que el lector pueda comprenderlo de una manera mas fácil y
practica y su comprensión sea mas fácil. También se mostraran las leyes y los enunciados que se
encuentran dentro del ramo de la termodinámica. Se mostraran por igual los mecanismos, sistemas u objetos
que funcionan por medio o gracias a la termodinámica algunos de ellos son el vaso térmico o la máquina
de vapor.
Este es un tema muy extenso y muy interesante y que espero que sea muy satisfactorio y que la persona que lo
lea aprenda y saque mucha información sobre esto.
Termodinámica.
La Termodinámica es la rama de la fÃ−sica que describe los estados del equilibrio a través de la
energÃ−a interna y volumen, también de magnitudes de temperatura y presión que son derivados del
volumen y la energÃ−a interna.
La termodinámica trata acerca de la transformación de energÃ−a térmica en energÃ−a mecánica y el
proceso inverso, la conversión del trabajo en calor, pues casi toda la energÃ−a disponibles de la materia
prima se libera en forma de calor resulta fácil advertir por que la termodinámica tiene un papel demasiado
importante en la ciencia y la tecnologÃ−a
EnergÃ−a Interna
La energÃ−a interna, se acepta como una manifestación macroscópica de las leyes de conservación de la
energÃ−a a nivel microscópico, que permite caracterizar el estado energético del sistema macroscópico.
El desarrollo de la termodinámica depende mucho del sistema termodinámico
, el equilibrio, sus alrededores, y la temperatura.
Las moléculas de un cuerpo contienen energÃ−a cinética por su movimiento y energÃ−a potencial por
las fuerzas que ejercen entre si por lo tanto la energÃ−a interna de un cuerpo es la suma de la energÃ−a
cinética y potencial de sus moléculas.
Equilibrio Termodinámico
El equilibrio termodinámico es aquel en el que dos sistemas se encuentran sus temperaturas, sus presiones y
sus potenciales quÃ−micos con el mismo valor.
Leyes de la Termodinámica
En la termodinámica se encuentran tres leyes, el principio cero y varios enunciados. Todos estos tienen
mucha importancia en la termodinámica por que en parte nos ayudan a entender y comprender esta rama de
la fÃ−sica.
Principio Cero
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El principio cero de la termodinámica propone que hay una temperatura empÃ−rica 0, que se encuentra
comúnmente en los estados del equilibrio termodinámico que están en equilibrio mutuo. Este principio es
muy fundamental para la termodinámica y sus leyes, pero no fue formulado en su totalidad hasta que fueron
presentadas las demás leyes, por eso recibe el nombre de principio cero. Una de las afirmaciones del
principio cero es: "Si un sistema A que está en equilibrio térmico con un sistema B, está en equilibrio
térmico también con un sistema C, entonces los tres sistemas A, B y C están en equilibrio térmico
entre sÃ−".
Primera Ley de la Termodinámica
“La energÃ−a no se crea, ni se destruye solo se transforma.”
Esta primera ley establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o éste intercambia calor con otro, la
energÃ−a interna del sistema cambiará. Desde varios puntos de vista esta ley permite definir el calor como
la energÃ−a necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y
energÃ−a interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824 y su ecuación general es la
siguiente:
Que nos indica que U es la energÃ−a interna del sistema, Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es
el trabajo realizado por el sistema.
El valor de Q es positivo cuando entra calor al sistema y negativo si sale de el. El valor de W es positivo si el
sistema realiza trabajo y negativo si se efectúa trabajo de los alrededores sobre el sistema.
1 Joule = 0.239 Cal
1 Cal = 4.2 Joule
Segunda Ley de la Termodinámica
Esta ley establece la imposibilidad de convertir completamente toda la energÃ−a de un tipo en otro sin
pérdidas. También impone restricciones para las transferencias de energÃ−a que pudieran llevarse a cabo
teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una
magnitud fÃ−sica llamada entropÃ−a, de tal manera que, para un sistema aislado la variación de la
entropÃ−a siempre debe ser mayor que cero.
Tercera Ley de la termodinámica
Esta ley propone y afirma que es posible alcanzar una temperatura de cero absolutos por medio de procesos
fÃ−sicos. Esta ley fue propuesta por Walther Nernst.
Enunciado de Kelvin
“No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente, y lo convierta
Ã−ntegramente en trabajo.”
Enunciado de Clausius
"No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta
temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada".
Enunciado de Kelvin - Planck
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“Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la
absorción de energÃ−a desde un depósito, y la realización de una cantidad igual de trabajo.”
TermometrÃ−a
La termometrÃ−a es la rama encargada de medir la temperatura de los cuerpos y sistemas mediante el
termómetro que esta realizado y basado por medio del principio Cero.
Escalas de Temperatura
Para entender las escalas de la temperatura se puede obtener como ejemplo el termómetro, un instrumento
para medir la temperatura, que es realizado a través de procesos en los cuales la temperatura permanece
constante.
El punto de ebullición es un punto importante para lograr estos procesos de escalas de temperatura. Las
escalas de temperatura mas importantes son la de Fahrenheit, Celsius y la de Kelvin.
Escala de Fahrenheit
Para lograr esta escala se utilizaron puntos fijos, el de solidificación y el de la ebullición del cloruro
amónico en agua, y se dice que es grado ° Fahrenheit y se expresa F°
Escala Celsius
Para esta escala se utilizan como puntos fijos el punto de solidificación del agua y de ebullición del agua,
100 grados para la ebullición y 0 para la solidificación, para estos grados se escriben como ° C.
Escala Kelvin
En este caso, la escala fue establecida por la escala kelvin, donde el valor de 0° corresponde al cero
absoluto, temperatura en la cual las moléculas y átomos de un sistema tienen la mÃ−nima energÃ−a
térmica posible. Ningún sistema macroscópico puede tener una temperatura inferior.
Escala Rankine
Es una escala de temperaturas muy utilizada en los EE.UU., y es semejante a la escala Kelvin. Al igual que
esta, presenta un cero en el cero absoluto, por lo que también es una "escala absoluta", con la diferencia de
que los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit.
Sistema y Ambiente
Se puede definir un sistema como un conjunto de materia, que está limitado por una superficie, que le pone
el observador, real o imaginaria. Si en el sistema no entra ni sale materia, se dice que se trata de un sistema
cerrado, o sistema aislado si no hay intercambio de materia y energÃ−a, dependiendo del caso. En la
naturaleza, encontrar un sistema estrictamente aislado es, por lo que sabemos, imposible, pero podemos hacer
aproximaciones. Un sistema del que sale o entra materia, recibe el nombre de abierto.
Variables Térmicas
Las variables que tienen relación con el estado interno de un sistema, se llaman variables termodinámicas o
coordenadas termodinámicas, y entre ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son:
masa, densidad, volumen, presión y temperatura.
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El Foco Térmico
El foco térmico es un sistema que puede dar y recibir calor sin que pueda cambiar su temperatura.
Contacto térmico
Se dice que dos sistemas están en contacto térmico cuando puede haber transferencia de calor de un
sistema a otro.
Vaso Térmico o Vaso Dewar
Es un recipiente diseñado para proporcionar aislamiento térmico, disminuir las pérdidas de calor por
conducción, convección o radiación. Se utiliza para almacenar lÃ−quidos, frÃ−os o calientes. Funciona
por medio de una doble pared que por intermedio tiene vacio
Maquina de Vapor
Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energÃ−a térmica de una
cantidad de agua en energÃ−a mecánica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas:
1 Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo cual produce la expansión del
volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela - manivela, el movimiento
lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por
ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de
carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energÃ−a
cinética de un volante de inercia.
2 El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la
renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.
Procesos termodinámicos
Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al
menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son:
Procesos isotérmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia.
Procesos isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varÃ−a.
Procesos isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante.
Procesos adiabáticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.
Procesos diatérmicos: son procesos que dejan pasar el calor fácilmente.
Por ejemplo, dentro de un termo donde se colocan agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso
adiabático, ya que el agua caliente se empezará a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se
empezará a derretir hasta que ambos estén en equilibrio térmico, sin embargo no hubo transferencia de
calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de un proceso adiabático.
Rendimiento termodinámico o eficiencia
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Un concepto importante en la ingenierÃ−a térmica es el de rendimiento. El rendimiento de una máquina
térmica se define como:
Donde, dependiendo del tipo de máquina térmica, estas energÃ−as serán el calor o el trabajo que se
transfieran en determinados subsistemas de la máquina.
Teorema de Carnot
Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824 demostró que el rendimiento de alguna máquina térmica que
tuviese la máxima eficiencia posible (a las que en la actualidad se denotan con su nombre) y que operase
entre dos termostatos (focos con temperatura constante), dependerÃ−a sólo de las temperaturas de dichos
focos. Por ejemplo, el rendimiento para un motor térmico de Carnot viene dado por:
Donde Tc y Tf son las temperaturas del termostato caliente y del termostato frÃ−o, respectivamente, medidas
en Kelvin.
Este rendimiento máximo es el correspondiente al de una máquina térmica reversible, la cual es sólo
una idealización, por lo que cualquier máquina térmica construida tendrá un rendimiento menor que el
de una máquina reversible operando entre los mismos focos.
Dilatación térmica
La dilatación térmica corresponde al efecto en el cual, las sustancias se "agrandan" al aumentar la
temperatura. En objetos sólidos, la dilatación térmica produce un cambio en las dimensiones lineales de
un cuerpo, mientras que en el caso de
lÃ−quidos y gases, que no tienen forma permanente, la dilatación térmica se manifiesta en un cambio en
su volumen.
Dilatación lineal
Consideremos primero la dilatación térmica de un objeto sólido, cuyas dimensiones lineales se pueden
representar por l0, y que se dilata en una cantidad Î L. Experimentalmente se ha encontrado que para casi
todas las sustancias y dentro de los lÃ−mites de variación normales de la temperatura, la dilatación lineal
ΠL es directamente proporcional al tamaño inicial l0 y al cambio en la temperatura Πt, es decir:
==.
Donde se llama coeficiente de dilatación lineal, cuya unidad es el recÃ−proco del grado, es decir [°C]-1.
Dilatación superficial
Es el mismo concepto que el de dilatación lineal salvo que se aplica a cuerpos a los que es aceptable y
preferible considerarlos como regiones planas; por ejemplo, una plancha metálica. Al serle transmitida cierta
cantidad de calor la superficie del objeto sufrirá un incremento de área: ΠA.
==.
Donde γ se llama coeficiente de dilatación superficial.
Dilatación volumétrica
5
La dilatación volumétrica de un lÃ−quido o un gas se observa como un cambio de volumen Î V en una
cantidad de sustancia de volumen V0, relacionado con un cambio de temperatura Î t. En este caso, la
variación de volumen ΠV es directamente proporcional al volumen inicial V0 y al cambio de temperatura
Î t, para la mayor parte de las sustancias y dentro d
e los lÃ−mites de variación normalmente accesibles de la temperatura, es decir:
==.
Donde β se llama coeficiente de dilatación volumétrica, medida en la misma unidad que el coeficiente de
dilatación lineal 2 alfa.
Conclusión
Mi conclusión sobre el trabajo de la termodinámica, es sobre que es como un proceso que es sobre la
transformación de la energÃ−a que es térmica en energÃ−a mecánica y también un proceso que
trabaja con el calor y del trabajo en calor.
En la termodinámica también trata sobre la energÃ−a interna que es la suma de las potenciales y la
energÃ−a cinética de las moléculas de un cuerpo. En la termodinámica se habla sobre el trabajo que
hace un sistema, sobre el calor y también sobre la variación de la energÃ−a interna y sobre los Joules.
Algo que aprendÃ− bien sobre la termodinámica es que si a un cuerpo se le aplica o se le pone calor y no
cambia su estado, su temperatura aumenta, y que gracias a este aumento de temperatura sus moléculas se
mueven rápido y su energÃ−a cinética también aumenta y también su energÃ−a potencial y esto
provoca que sus moléculas se separen.
Y me logre dar cuenta que en resumen lo que trata mas la termodinámica es que tanto el trabajo como el
calor representan o realizan cambios que se acompaña de un cambio también de energÃ−a interna y que
todo esto ocurre en un proceso que puede ser llamado proceso térmico o sistema térmico.
También llegue a
a conclusión de que la termodinámica es un tema muy interesante y que es también muy cotidiano y nos
puede ayudar a comprender algunas cosas que ocurren o de algunos objetos o aparatos que utilizamos a diario
en estos dÃ−as que hace mucho frio, como el vaso térmico, donde nos servimos nuestro café de diario, la
termodinámica me ayudo a explicarme que para que se logren estos procesos se ocupan de paredes que
ocupan estar separada para que el contenido no se relacione con el espacio exterior y no este como todos los
productos normales que están a temperatura, sino que la temperatura de lo que adentro contiene este a una
temperatura constante y que se pueda dar un equilibrio térmico. Otro ejemplo puede ser como las maquinas
a vapor de algunos barcos o ferrocarriles que funciona a través de una caldera con vapor que esta cerrada
con calentamiento y que sigue un seguimiento a través de un cilindro que se expande su volumen logrando
empujar un pistón hasta lograr un movimiento de rotación y por ultimo el embolo regresa y expulsa el
vapor del agua y el vapor del agua se controla por medio de unas válvulas que hacen acción de entrada y
salida.
Mi conclusión en resumen es que es un tema demasiado interesante y tan cotidiano que de verdad vale la
pena estudiarlo y tratar de aprender mucho sobre este tema ya que algún dÃ−a nos puede servir de algo y
también ayuda a resolver algunas de nuestras dudas.
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