Primer principio de la termodinámica.

Primer principio de la
termodinámica.
Introducción a la Física Ambiental.
Tema 2.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
1
Tema 2.- " Primer principio de la
termodinámica".
• Calor y Trabajo.
• Capacidad calorífica, calores específicos y calor
latente.
• Primer principio: Energía interna.
• Entalpía.
• Balance de energía en la superficie terrestre.
– Variabilidad climática.
– Modelo simplificado. Tierra-entorno.
– Efecto invernadero.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
2
1
Calor y Trabajo.
• Intercambio de Energía:
– Calor:
– Trabajo:
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
3
Criterio de signos para la energía.
• Definimos el sistema en estudio:
– Si el sistema disminuye su energía interna
(pierde energía):
• ∆U<0.
– Si el sistema aumenta su energía interna (gana
energía):
• ∆U>0.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
4
2
Trabajo mecánico (definición).
• Trabajo de compresión para un sistema
hidrostático (el sistema absorbe energía):
• W>0.
δW = − PdV
V2
W = − ∫ PdV
V1
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
5
Trabajo de expansión (sistema
hidrostático).
• Trabajo de expansión para un sistema
hidrostático (el sistema pierde energía):
• W<0.
δW = − PdV
V2
W = − ∫ PdV
V1
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
6
3
Calor y trabajo
• Cualquier sistema termodinámico puede cambiar su estado de
equilibrio, definido por sus coordenadas termodinámicas (P,V,
T) para el caso del sistema hidrostático. Intercambiando energía
con su entorno en forma de calor, trabajo o ambos mecanismos
simultáneamente:
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
7
Calor y trabajo
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
8
4
Capacidad calorífica.
• Capacidad calorífica:
– Calor necesario para aumentar en 1º la temperatura de un sistema
(J/K):
C=
• Calor específico:
δQ
dT
– Calor necesario para aumentar en 1º la temperatura de una unidad de
masa de un sistema (J/kg K):
c=
• Calor molar:
1 δQ
m dT
– Calor necesario para aumentar en 1º la temperatura de un mol de
materia de un sistema (J/mol K):
1
cm =
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
δQ
n dT
9
Calores específicos de algunas
substancias.
Substancia
c (kJ/kgK)
Agua (20º)
4.18
Hielo (-10ºC)
2.05
Plata
0.233
Aluminio
0.900
Vapor de Agua (P=cte,T=0ºC)
1.86
Aire (P=cte,T=0ºC)
1.0036
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
10
5
Calores latentes de cambio de fase.
Substancia
Temp. CF(K)
Lf(kJ/kg)
Lv(kJ/kg)
Agua (L)
273.15
333.5
-----
Agua (v)
373.15
-----
2257
Alcohol etílico
159
109
-----
Alcohol etílico
351
-----
879
Oxígeno
54.4
105
-----
Oxígeno
90.2
-----
213
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
11
Calor intercambiado (cuantificación).
• Proceso de calentamiento de una masa, m, de hielo a
presión constante, P=1 atm. Estado inicial (-30ºC), final
vapor (100ºC):
QLV = mLV
QSL = mL f
QSS = mcs ∆T
QLL = mcL ∆T
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
12
6
Calor intercambiado (cuantificación).
Problemas 1. Hoja IFA2
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
13
Trabajo de expansión en un gas ideal I.
• Método del área:
• Método de la integral:
W1 = − P1 (V2 − V1 )
V2
V2
V2
V1
V1
V2
W1 = −∫ PdV = −P1 ∫ dV − ∫ PdV = −P1(V2 −V1)
• ¡Área del rectángulo!
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
14
7
Trabajo de expansión en un gas ideal II.
• Método de la integral:
• Método del área:
W2 = − P2 (V2 − V1 )
V2
V2
V1
V1
V1
V1
W2 = −∫ PdV= −P2 ∫ dV− ∫ PdV= −P2(V2 −V1)
• ¡Área del rectángulo!
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
15
Trabajo de expansión en un gas ideal III.
• Método de la integral:
V2
Wce = − ∫ PdV
V1
P=
– Transformación cuasiestática:
• Trabajo intercambiado:
V2
V
2
nRT
dV
dV = −nRT ∫
V
V
V1
V1
Wce = − ∫
• (T=cte.)
Wce = − nRTLn(V )VV12 = −nRTLn
nRT
V
V2
V1
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
W1 > Wce > W3
16
8
Trabajo en procesos cíclicos.
• Procesos cíclicos:
• Ejemplo:
– Método del área:
• W=-1 atm.l=-101.3 J
– Método integral:
VB
VC
VD
VA
VA
VB
VC
VD
W = − ∫ pdV = − ∫ PdV − ∫ PdV − ∫ PdV − ∫ PdV = −2(2 − 1) − 1(1 − 2) = −1atml
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
17
Propiedades del trabajo, W.
• Definición:
V2
W = − ∫ PdV
V1
• Transformación isócora, V=cte:
W =0
• Transformación isóbara, P=cte:
W = − P∆ V
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
18
9
Propiedades del trabajo, W.
• Transformación cuasiestática:
• P(V) es la ecuación de estado.
V2
W = − ∫ P(V ) dV
V1
• Expansión libre:
• W=0
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
19
Enunciado de la 1ª Ley de la
Termodinámica.
• Forma finíta:
Consecuentes:
∆U = Q + W
– U, energía interna.
• Forma diferencial:
dU = δQ + δW
Problema 2. Hoja IFA2
1.- Principio de conservación
universal de la energía.
2.- Definición de la energía
interna como función de
estado U(P,V,T).
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
20
10
Energía interna: propiedades.
• Sistema Aislado:
• Expansión libre:
– Q=0; W=0.
• ∆U=0
• ∆U=0
• Proceso cíclico:
– Ui=Uf
• ∆U=0
• Proceso isócoro, V=cte:
• Q=W
• Proceso adiabático:
– W=0; Q≠0.
• ∆U=Q
– Q=0; W≠0.
• ∆U=W
Problema 3. Hoja IFA2
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
21
Experiencia de Joule.
Experimento IFA4
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
22
11
Entalpía.
• Función de estado:
H = U + PV
• Forma diferencial: dH = dU + PdV + VdP
• Transformaciones a P=cte.
• Como:
• Entonces:
Problema 4. Hoja2 IFA.
dH = dU + PdV
δQP = dH
dU = δQ + δW
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
23
Balance de energía en la superficie
terrestre.
– Variabilidad climática.
• Efectos observados.
• Factores desencadenantes.
– Modelo simplificado. Tierra-entorno.
• Balance de radiación.
– Emisión de onda larga.
– Absorción de onda corta.
– Efecto invernadero.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
24
12
Variabilidad climática: Efectos observados.
Efectos observados mediante medidas científicas desde 1900.
1.- Aumento de 0.5ºC de la temperatura media
de la atmósfera.
2.- Glaciares en retroceso.
3.- Aumento del nivel de los Océanos.
4.- Reducción de la capa de hielo Polar.
5.- Reducción del espesor del “permafrost”.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
25
Variabilidad climática: Efectos observados.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
26
13
Variabilidad climática: Efectos observados.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
27
Variabilidad climática: Factores
desencadenantes.
Factores Antrópicos:
- Emisión de gases invernadero.
- calentamiento directo por máquinas de combustión.
- Deforestación. Desequilibrio en el balance hídrico.
Factores Naturales:
- Erupciones volcánicas.
- Actividad Solar.
- Cataclismos.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
28
14
Modelo simplificado. Tierra-entorno.
Balance de radiación.
Absorción de onda corta.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
29
Modelo simplificado. Tierra-entorno.
Potencia de radiación solar que llega a la
tierra:
2
SπRT
Potencia de radiación solar reflejada por la
tierra:
RT- radio de la tierra.
rSπR
2
T
Balance de radiación de onda corta:
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
S- Constante Solar, 1353 W/m2.
r- reflectividad atmosférica.
Pa = (1 − r ) SπRT2
30
15
Modelo simplificado. Tierra-entorno.
Balance de radiación.
Emisión de onda larga.
Tomamos una temperatura media de la
superficie de la tierra de 13 ºC y una
temperatura media de su atmósfera de -22º C.
La tierra se comporta como un cuerpo gris de
emisividad media aproximada de 0.6.
Potencia radiada en el rango infrarrojo
(onda larga) por la tierra:
PR = 4π R T2 εσ T sT4
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
31
Modelo simplificado. Balance de
radiación.
Al estar la tierra en equilibrio térmico, se tienen que
equilibrar los flujos de energía entrante y saliente. Así la
variación de energía interna del sistema es nula.
PR = Pa
(1 − r ) S π R T2 = 4 π R T2 εσ T sT4
⇓
(1 − r ) S
= εσ T sT4
4
Ritmo de ganancia o pérdida de
energía 237 W/m2
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
32
16
Modelo simplificado. Otras fuente de
energía.
Fuente
Contribución
(W /m 2 )
Contribución
(% )
RadioIsótopos
0.06
0.025
Combustión (era
industrial)
0.018
0.0075
Fenómenos
disipativos (mareas)
0.005
0.002
¡Contribución insignificante en el balance de energía!
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
33
Modelo simplificado. Temperatura de
equilibrio
T sT
 (1 − r ) S 
= 

 4 εσ 
1
4
La temperatura de equilibrio aumenta si:
r, disminuye o si ε disminuye.
La reflectividad, r, y la emisividad, ε, son funciones directas de los gases
que componen la atmósfera, una variación de esta composición afectaría a
sus valores y a la temperatura de equilibrio del planeta.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
34
17
Modelo simplificado. Balance de
radiación.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
35
Efecto invernadero.
Gases más abundantes en la atmósfera.
Q
C + O 2 →
CO 2
Consumo energético medio por persona y año: 3500 Kg. de carbón, 2000 m3
de gas natural y 4000 l de petróleo. EEUU consume el 33% del total con
sólo un 5% de la población mundial.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
36
18
Efecto invernadero.
Gases menos abundantes en la atmósfera.
CH4- su concentración se duplicará en 250 años por descomposición
orgánica. Al fundirse el “permafrost” se libera metano retenido.
NO-- Abonos nitrogenados, fuego y desertización.
CFC- Disolventes, spays, circuitos de refrigeración.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
37
Efecto invernadero: evolución de la
concentración de CO2 en la atmósfera.
Medidas realizadas a partir de muestras de aire atrapadas en hielo glaciar en la
Antártida. Desde 1750 hasta 1990 se produjo un aumento del 25% en
concentración de CO2 atmosférico.
Tema 2 IFA (Prof. RAMOS)
38
19