PROPÓSITO:  Caracterizar los diferentes procesos termodinámicos

PROPÓSITO:
 Caracterizar los diferentes procesos termodinámicos
 Calcular a partir de los procesos adiabáticos y procesos isotérmicos
como el calor y el trabajo se realiza un cambio de energía interna de
un sistema
PREGUNTAS:
 ¿Cuáles son los procesos termodinámicos?
 ¿Qué es un proceso adiabático y qué es un proceso isotérmico?
CONTENIDO:
Procesos adiabáticos: considera cierta masa de un gas dentro de un
recipiente cuyas paredes no permiten la transferencia de calor al exterior
y sobre el cual se realiza un trabajo. Cuando no hay transferencia de calor
se dice que ocurre un proceso adiabático. Al aplicar la primera ley de la
termodinámica tenemos U = Q – W. puesto que Q = 0 tenemos que
U=-W
En este proceso la variación de la energía interna del sistema se debe
únicamente al trabajo realizado por el sistema o al trabajo realizado sobre
el sistema. En un proceso adiabático, si es el sistema que realiza trabajo,
W es positivo, por tanto U es negativo. Es decir, se produce una
disminución en la energía.
Proceso isotérmico: si a un sistema, digamos un gas dentro de un cilindro,
se le suministra calor y se produce cambio en a presión y el volumen con
la condición de que la temperatura permanezca constante, se dice que
ocurre un proceso isotérmico.
Al aplicar la primera ley de la termodinámica tenemos que U = Q – W,
pero como la temperatura del gas no varia, tenemos que U = 0 y por
tanto, Q = W. es decir, en un proceso isotérmico el calor suministrado al
sistema se transforma en trabajo realizado por él mismo.
MODELACIÓN:
1. Considere dos sistema iguales formados por 1 m3 de nitrógeno
contenido en un cilindro provisto de pistones. El gas tiene inicialmente
cierta temperatura y presión y luego se expande hasta ocupar un
volumen de 2 m3. En uno de los cilindros la expansión se produce
contra una presión externa de una atmosfera, mientras que en el otro
se expande contra el vacio.
a. ¿Cuál es el calor intercambiado en cada caso, si el proceso es
isotérmico?
b. Describe cada situación si los procesos son adiabáticos.
Sol:
a. Partiendo de la primera ley de la termodinámica, según la cual, Q = W,
y dado que la energía interna sólo depende de la temperatura, en
ambos procesos la variación de la energía es U = 0.
Para encontrar el valor de Q, debemos calcular el trabajo realizado en
ambos expansiones.
En el caso de expansión en contra de la atmosfera.
W = P * V = (101 324 Pa) * (1m3) = 101324 J.
De modo que el sistema debe recibir esta cantidad de energía en forma
de calor por tanto, Q = 101324 J. en la expansión hacha contra el vacio
el trabajo es nulo puesto que la presión es igual a cero y como U = 0,
tampoco hay transferencia de calor.
b. En el caso de que los procesos sean adiabáticos, Q=0, por tanto, U=-W
Cuando el gas se expande contra una presión de 1 atm el cambio en la
energía interna es U = - 101324 j, lo cual se manifiesta en un descenso
de la temperatura.
En la expansión contra el vacio el trabajo es nulo, de modo que la
energía interna del sistema permanece constante, y por tanto la
temperatura no cambia.
SIMULACIÓN:
1. Un gas esta contenido en un cilindro con pistón, si mediante un
proceso isotérmico, se realiza un trabajo de 5000 J sobre el gas.
a. Calcula la variación de la energía interna del gas.
b. El gas, ¿absorbe o libera calor? Explica.
c. ¿Cuál es el valor del calor transferido?
EJERCITACIÓN:
1. Se tiene 40 cm3 de un gas encerrado en un recipiente de forma
cilíndrica. Si se le suministran 5000 J de energía en forma de calor,
manteniendo una presión constante de 2 atm, entonces, ¿Cuál es el
cambio en la energía interna del gas al aumentar su volumen a 55 cm3?
2. En una compresión adiabática se realizan 350 J e trabajo en un sistema
a gas. Responde:
a. ¿cuanto calor es liberado por el sistema?
b. ¿Cómo varía la energía interna del gas?