FISICA - ONDAS Y CALOR

TERMODINÁMICA I
TERMODINÁMICA
La termodinámica es el estudio de calor y de su transformación en energía mecánica. La palabra termodinámica proviene de
las palabras griegas que significan ‘‘movimiento de calor’’.
La ciencia de la termodinámica se desarrolló a mediados del siglo XIX, antes que se entendiese la naturaleza atómica y
molecular de la materia.
Nuestro estudio del calor hasta ahora se ha concentrado en el comportamiento microscópico de los átomos y moléculas
de los sistemas. La termodinámica se ocupa sólo de los aspectos macroscópicos: el trabajo mecánico, la presión, la temperatura
y las funciones que estos factores desempeñan en la transformación de la energía.
La locomotora a vapor aprovecha el calor que se genera
por la combustión del carbón en su motor, una parte se
invierte en calentar el agua contenida, que hierve y
produce vapor de agua que al expanderse efectúa trabajo
que mueve a la locomotora.
Conceptos previos
a. Sistema termodinámico: Denominamos así al sistema físico sobre el cual fijamos nuestra atención y estudio. Sus límites
pueden ser fijos o móviles.
b. Sustancia de trabajo: Designamos con este nombre a la sustancia líquida o gaseosa que recorre internamente el sistema,
y en el cual podemos almacenar o extraer energía
c. Estado termodinámico: Es aquella situación particular de una sustancia, cuya existencia está definida por las variables
termodinámicas: presión, volumen, temperatura, densidad, etc
P1
P2
V1
V2
T1
T2
Proceso
termodinámico
d. Proceso termodinámico: Llamamos así al fenómeno por el cual una sustancia pasa de un estado (1) a un estado distinto (2)
a través de una sucesión ininterrumpida de estados intermedios.
e. Ciclo termodinámico: Viene a ser el fenómeno por el cual una sustancia, partiendo de un estado, desarrolla varios procesos,
al final de los cuales retorna al estado inicial.
P1
P2
P1
V1
V2
V1
T1
T2
T1
Proceso 1
Proceso 2

Ciclo termodinámico
Gráficas termodinámicas.- Nos ayudan a cuantificar los procesos y ciclos termodinámicos.
P
T
V
La gráfica que nos va a servir para el estudio termodinámico es la gráfica P vs V.
P
P
T
V
V
T
Gráfica P vs V.
P
b
P2
P1
a: Estado 1
b: Estado 2
a
V1
V2
P1.V1
=
T1
V
P 2 .V2
T2
Unidades:
P: ____________________________________
V: ____________________________________
T: ____________________________________
INFORMACIÓN P vs V
Para procesos:
P (Pa)
P2
P1
W(+)
V1
V2
3
V(m )
expande
P (Pa)
P2
P1
W(-)
V1
V2
comprime
A = TRABAJO (W)
3
V(m )
Para ciclos:
P (Pa)
P2
W(+)
P1
V2 V(m 3 )
V1
CICLO HORARIO
P (Pa)
P2
W(-)
CICLO
ANTIHORARIO
P1
V2 V(m 3 )
V1
A = TRABAJO (W)
Primera Ley de la Termodinámica
Cuando suministramos calor a un gas podemos observar que la temperatura se incrementa y el gas se expande produciendo
un trabajo, se cumplirá que el calor entregado a un gas es empleado para variar su energía interna y para que el gas realize un
trabajo.
Calor suministrado:
Calor
Suministrado
=
Trabajo realizado
por el sistema
d
F
F
F
F
+
Variación de la
energía interna
Q = U + W
Q : calor
U = Uf - Uo: cambio de
energía interna
Q
W: trabajo desarrollado
Signos del calor y el trabajo en termodinámica
Si se agrega calor (Q) al sistema éste es positivo y si sale es negativo.
Si el sistema realiza trabajo (W), éste es positivo y si se realiza trabajo sobre el sistema, éste es negativo.
Graficando:
w(+)
Q(+)
w(-)
Q(-)
ENERGÍA INTERNA (U)
La energía interna de un sistema se define como la suma de las energías cinéticas de todas sus partículas constituyentes, mas
la suma de todas las energías potenciales de interacción entre ellas.
La energía interna de un gas ideal depende sólo de su temperatura, no de su presión ni de un volumen.
La energía interna de un gas ideal depende sólo de su temperatura.
Las variaciones de energía interna (U) en un gas suceden solamente cuando hay variaciones de temperatura. Cuando la
temperatura de un gas cambia, el gas sigue cierto proceso, pero como la energía interna del gas depende sólo de la
temperatura, entonces la variación de la energía interna de un gas depende solamente de las temperaturas final e inicial mas
no del proceso que sigue.
PROBLEMAS PARA LA CLASE
APELLIDOS Y NOMBRES
: ________________________________________________________________
GRADO Y SECCIÓN
: ____________ FECHA: _____________________________________________
1. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda:
I. La termodinámica estudia el calor y su transformación en energía mecánica.
II. La termodinámica estudia el calor en movimiento.
III. La unidad del calor es el watt.
a) VVV
d) FVV
b) VVF
e) VFF
c) VFV
2. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda:
I. La termodinámica pasa por alto los detalles moleculares de los sistemas.
II. La termodinámica estudia los aspectos microscópicos del sistema.
III. La termodinámica toma en cuenta los factores que intervienen en las transformaciones del calor.
a) VFV
d) FVV
b) VVF
e) VVV
c) VFF
3. Indicar la proposición correcta:
I. Un sistema es cualquier objeto que puede intercambiar energía con el entorno.
II. Un gas encerrado en un cilindro con un pistón móvil es un sistema termodinámico.
III. Cuando el volumen de un gas encerrado disminuye, el trabajo es positivo.
a) Sólo I
b) Sólo II
c) Sólo I y II
d) Sólo I y III e) Sólo II y III
4. Un gas encerrado al recibir 480 calorías, realiza un trabajo de 310 calorías. ¿Cuál es la variación de su energía interna?
a) 120 cal
d) 210
b) 150
e) 240
c) 170
5. Una sustancia termodinámica recibe 300 calorías y se observa que su energía interna aumenta en 300 joules. ¿Cuál es el
trabajo realizado por la sustancia?
(1 cal=4,18J)
a) 0
d) 954 J
b) 416 J
e) 1082 J
c) 228 J
6. Si se suministra 24 J de energía calorífica a un sistema que no realiza trabajo externo, ¿cuánto aumenta la energía interna
del sistema?
a) 24 J
d) -12 J
b) 12 J
e) 0
c) -24 J
7. En un cierto proceso termodinámico se suministra 160 J de calor al sistema. Al mismo tiempo, el entorno efectúa 72 J de
trabajo sobre el sistema. ¿Cuánto aumentó la energía interna del sistema?
a) 160 J
d) 232
b) 88
e) 182
c) 140
8. Respecto a la primera ley de la termodinámica, indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda.
I. Es una forma de la ley de conservación de la energía.
II. Muestra la relación entre el calor, el trabajo y la variación de la energía.
Si: W = 0, entonces: Q = 
III.El calor se mide en joule.
9. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda:
I. En un proceso isotérmico la temperatura permanece constante.
II. En un proceso isócoro el trabajo realizado por el gas es cero.
III.
En un proceso isobárico el trabajo realizado es cero.
10. Completar las siguientes proposiciones adecuadamente:
I. La energía interna de un gas ideal depende sólo de su ________________.
II. El calor entregado a un gas es empleado para variar su energía interna y para que gas realiza un ___________.
a)
b)
c)
d)
e)
Presión - Trabajo
Volumen - Movimiento
Presión - Desplazamiento
Temperatura - Trabajo
Temperatura - Calentamiento
RESUELVE Y MARCA LA ALTERNATIVA CORRECTA:
11. En cierto proceso químico un técnico de laboratorio suministra 320 J de calor a un sistema. Si se observa que la energía
interna del sistema aumenta en 90 J, ¿cuál es el trabajo realizado por el sistema?
a)
b)
c)
d)
e)
-150 J
410 J
-230 J
230 J
-90 J
12. Un gas encerrado recibe 1200 calorías y su energía interna aumenta 320 J. ¿Qué trabajo realiza el gas? (1 J = 0,24 cal)
a)
b)
c)
d)
e)
1200 J
-1200 J
1800 J
-1800 J
1500 J
13. En el proceso mostrado, calcular el trabajo realizado por el gas.
a) 480 J
d) -520 J
b) -480 J
e) -130 J
c) 520 J
14. Hallar el trabajo desarrollado en el ciclo termodinámico.
P(KPa)
7
2
0.1
a) 100 J
d) -400 J
b) 400 J
e) -500 J
V(m 3 )
0.3
c) 500 J
15. Un gas ideal realiza el ciclo 1231. El trabajo realizado por el gas en este ciclo es :
P
1
3
2
V
a) 1/2 [(P1+P2)(V2-V3)]
b) 1/2 [(P1+P3)(V2+V3)]
c) 1/2 [(P1-P2)(V2+V3)]
d) 1/2 [(P1-P3)(V2-V3)]
e) Cero
16. En el proceso mostrado, hallar el trabajo realizado por el gas.
17. Un gas encerrado al recibir 840 calorías, realiza un trabajo de 3 000 J. ¿Cuál es la variación de su energía interna?
a)
b)
c)
d)
e)
120 cal
240
720
840
0,24
18. Hallar el trabajo realizado por el gas en el proceso mostrado.
3
3
19. El volumen de un gas se expande de 0,4 m a 0,7 m y su presión varia según la gráfica mostrada. Hallar el trabajo realizado
por el gas.
20. Hallar el trabajo realizado por un gas en el proceso ABC.
a) 1 720 J
d) 1 540 J
b) 1 860 J
e) 360 J
c) 1 920 J