Leyes de la termodinámica
Las leyes de la termodinámica (o los principios de la termodinámica) describen el comportamiento
de tres cantidades físicas fundamentales, la temperatura, la energía y la entropía, que caracterizan
a los sistemas termodinámicos.
Ley “cero”: Principio del equilibrio térmico
“Si un sistema A y un sistema B están a la misma temperatura y B está a la misma temperatura que
C, entonces A y C están a la misma temperatura”.
La primera ley: “Ley de la Conservación de la Energía”
En cualquier sistema físico aislado de su entorno, la cantidad total de energía será siempre la
misma, en otras palabras: “la energía no puede crearse ni destruirse, solo se transfiere”.
Fórmula:
ΔU = Q – W
Energía interna ∆U, Q calor y W trabajo.
Ejemplos de la Primera Ley de la Termodinámica
Ejemplo 1
¿Cuál es el incremento en la energía interna de un sistema si se le suministran 700 calorías de calor
y se le aplica un trabajo de 900 J?
Solución:
Vamos a convertir las 700 calorías de calor en Joules. ¿Por qué? Porque el S.I (Sistema Internacional)
de medida así lo estandariza.
Recordar que
porque como dijimos, al sistema se le está aplicando un trabajo. Ahora
conforme a la fórmula de la primera ley de la termodinámica, iniciemos a sustituir.
despejando "
"
Sustituyendo
Ese sería el resultado de nuestro incremento en la energía interna.
Ejemplo 2
Un sistema pasa de un estado a otro, intercambiando energía con el alrededor. Cual es la variación
de energía interna del sistema, en los casos:
a) El sistema absorbe 100 cal y realiza un trabajo de 200 J.
b) El sistema absorbe 100 cal y sobre él se realiza un trabajo de 200 J.
c) El sistema libera 100 cal de calor alrededor, y sobre él se realiza un trabajo de 200 J.
Solución:
a) Para iniciar a resolver este inciso, debemos entender lo que nos pide.
+ El sistema absorbe 100 cal, que convertiremos en Joules.
+ El sistema realiza el trabajo de 200 J.
Convertimos lo que absorbe el sistema:
4,2 𝐽
100 cal ( 1 𝑐𝑎𝑙) = 420 𝐽
Ahora esto nos indica que por fórmula tendremos:
∆U=420J – (+200J)=420J – 200J)= 220J
Observamos que la energía interna del sistema aumenta considerablemente a 220 J.
b) Para este caso analizamos de la siguiente manera el inciso.
+ El sistema absorbe 100 cal
- El trabajo fue realizado sobre el sistema 200J
Por fórmula tenemos:
∆U=420J – (-200J)=420J + 200J)=620J
Por lo que ahora, tenemos 620 Joules, y observamos un gran incremento de la energía interna.
c) En este caso el sistema hace las dos versiones distintas al inciso a), pues aquí tenemos el siguiente
análisis.
- El sistema libera 100 cal [Se convierte a Joules]
- Se le aplica un trabajo sobre el sistema de 200 J
Por fórmula tendríamos algo así:
∆U=-420J – (-200J)=-420J + 200J)=-220J
Segunda ley:
La segunda ley de la termodinámica establece que: “La cantidad de entropía del universo
tiende a incrementarse en el tiempo.”
Se denomina entropía a la magnitud que indica la energía que no puede realizar un trabajo
útil en un proceso termodinámico. En general el universo tiende al desorden. En
consecuencia, la entropía, es decir el aumento de la entropía, por lo tanto, la variación
positiva de esta magnitud indica el sentido natural en que ocurre cualquier evento en un
sistema aislado.
Ejemplos:
-Un gas comprimido tiende a expandirse .
-La transferencia de calor siempre sucede desde los cuerpos calientes a los frío s.
-El funcionamiento de un aire acondicionado .
A más movimiento más desorden.
Má q u i n a s t é r m i c a s
Una máquina térmica tiene por objetivo proporcionar continuamente trabajo al exterior a
partir del calor absorbido.
Si imaginamos un ciclo realizado en sentido opuesto al de un motor, el resultado final
será:
1. La absorción de calor a temperatura baja.
2. La expulsión de una cantidad mayor a temperatura más elevada .
3. Y por fin, la realización de una cantidad neta de trabajo sobre el sistema.
Teorema de Carnot
El teorema de Carnot anuncia que “Ninguna máquina térmica operando en ciclos entre dos
recipientes térmicos dados, tiene una eficiencia mayor que la de una máquina reversible
(de Carnot) operando entre los mismos recipientes” .
Tercera ley: Principio de Nernst: Esta ley da a explicar que una temperatura absoluta de cero
grados es imposible alcanzar, la temperatura es una medida de la velocidad promedio de las
moléculas de una sustancia. Podemos ensayar por todos los medios, pero no podemos lograr que el
movimiento molecular cese por completo.
PREPARADOR FÍSICA 11°
MOVIMIENTO ARMONICO SIMPLE
OBJETIVO:
Describir una partícula sometida a una fuerza restauradora proporcional a su desplazamiento. Se
genera entonces un movimiento periódico, es decir que se repite cada cierto intervalo de tiempo.
DESMPEÑO:
Identifico y describo movimientos producidos por fuerzas recuperadoras.
DERECHO BÁSICO DE APRENDIZAJE
Uso conceptos e interpreto fenómenos para solucionar situaciones sobre sistemas de movimiento
armónico simple.
Diagnóstico
¿Qué es para mí un movimiento armónico simple?
MOVIMIENTO ARMONICO SIMPLE
Concepto
El Movimiento Armónico Simple (MAS) es el movimiento periódico más sencillo que se puede
analizar, el cual sucede cuando existe una fuerza de restitución FR, la cual es directamente
proporcional al desplazamiento x con respecto a un punto equilibrio.
Ecuaciones
Fórmulas del movimiento armónico simple
La fuerza restauradora es elástica. Es decir, del tipo definido en la ley de Hooke. Su fórmula es:
FR = −kx.
Donde k es la constante de recuperación y x es la elongación o distancia del objeto con respecto al
punto de equilibrio. La fórmula demuestra que la fuerza es proporcional a la distancia x.
Ejemplo 1
Si a un resorte se le cuelga una masa de 200 g y se deforma 15 cm ¿cuál será el valor de su constante?
Solución: para poder resolver el problema, convirtamos las unidades dadas a unidades del sistema
internacional, quedando así:
El problema nos proporciona una masa, pero hace falta una fuerza para poder realizar los cálculos,
entonces multiplicamos la masa por la acción de la aceleración de la gravedad para obtener el peso,
que finalmente es una fuerza.
Ahora solo queda despejar k en la fórmula de la ley de Hooke.
Sustituyendo nuestros datos en la fórmula, tenemos:
Ejemplo 2
Una carga de 50 N unida a un resorte que cuelga verticalmente estira el resorte 5 cm. El resorte se
coloca ahora horizontalmente sobre una mesa y se estira 11 cm. ¿qué fuerza se requiere para estirar
el resorte esta cantidad?
Solución: Primeramente, se debe considerar que el problema nos implica dos etapas, en la primera
debemos saber de qué constante elástica se trata, para así en la segunda etapa resolver la fuerza
necesaria cuando el resorte este horizontalmente y finalmente poder graficar.
Necesitamos conocer el valor de K cuando nuestro sistema se encuentra de manera vertical, entonces
despejamos y sustituimos nuestros datos:
Ahora pasamos a encontrar el valor de nuestra fuerza, esto ocurrirá cuando nuestro resorte este de
manera horizontal, entonces.
Esto quiere decir, que nuestro resorte necesita de 110 Newton, para poder estirarse 11 cm de su
posición normal.
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