TERMODINÁMICA
La termodinámica es una ciencia que se encuadra dentro de la física y que se aboca al estudio de los fenómenos relativos al calor. El interés de la termodinámica se centra especialmente en considerar la manera en que se transforma la energía y sus distintas formas con la temperatura enfocada en relación a estos procesos. En efecto, existen evaluaciones que establecen que el desarrollo de la disciplina se hizo a la par de un intento por lograr que las maquinas tuviesen mayor eficiencia, eficiencia que implicaba que se pierda la menor cantidad de energía bajo la forma de calor.
La termodinámica y sus leyes.
La termodinámica tiene una serie de leyes que dan cuenta de la manera en que se comporta la energía. La primera de ellas es el denominado principio de conservación de la energía, principio que establece que la energía no puede ser creada ni destruida sino tan solo transformada en otra forma; de esta manera, el calor no es sino una forma de energía que derivará de otras, como por ejemplo el trabajo. En cuanto al segundo principio de la termodinámica, el mismo establece que existe en un sistema cerrado un proceso de entropía en aumento, entendiendo por entropía un proceso de caos en el que la energía se vuelve inutilizable. Finalmente, la tercera ley de la termodinámica establece que es imposible alcanzar el cero absoluto en un sistema mediante un número finito de pasos.
Existe además de las mencionadas leyes un principio cero que establece que distintos sistemas térmicos alcanzarán un equilibrio entre sí si están de alguna manera en contacto. Así, si un sistema A está en contacto con un sistema B y este sistema B está en contacto con otro sistema C, finalmente todos ellos alcanzarán el equilibrio, es decir, tendrán la misma temperatura. Este principio lleva a colegir que el universo tuvo un comienzo y dista de ser estático, porque de lo contrario ya debería haber alcanzado el equilibrio.
Estudio de la termodinámica como disciplina.
Para finalizar, cabe señalarse que la termodinámica como disciplina se desarrolló a lo largo de varios siglos, siempre teniendo el interés de hacer un mejor uso de la energía. Es por esto que la misma estuvo siempre ligada a distintas invenciones y experimentaciones. Hoy en día, la misma es enormemente descriptiva de los fenómenos que tienen lugar en lo que respecta a la energía y especialmente en lo que hace referencia a los procesos relacionados con el calor.
Primera ley de la termodinámica.
La termodinámica y sus leyes.
La termodinámica tiene una serie de leyes que dan cuenta de la manera en que se comporta la energía. La primera de ellas es el denominado principio de conservación de la energía, principio que establece que la energía no puede ser creada ni destruida sino tan solo transformada en otra forma; de esta manera, el calor no es sino una forma de energía que derivará de otras, como por ejemplo el trabajo. En cuanto al segundo principio de la termodinámica, el mismo establece que existe en un sistema cerrado un proceso de entropía en aumento, entendiendo por entropía un proceso de caos en el que la energía se vuelve inutilizable. Finalmente, la tercera ley de la termodinámica establece que es imposible alcanzar el cero absoluto en un sistema mediante un número finito de pasos.
Existe además de las mencionadas leyes un principio cero que establece que distintos sistemas térmicos alcanzarán un equilibrio entre sí si están de alguna manera en contacto. Así, si un sistema A está en contacto con un sistema B y este sistema B está en contacto con otro sistema C, finalmente todos ellos alcanzarán el equilibrio, es decir, tendrán la misma temperatura. Este principio lleva a colegir que el universo tuvo un comienzo y dista de ser estático, porque de lo contrario ya debería haber alcanzado el equilibrio.
Estudio de la termodinámica como disciplina.
Para finalizar, cabe señalarse que la termodinámica como disciplina se desarrolló a lo largo de varios siglos, siempre teniendo el interés de hacer un mejor uso de la energía. Es por esto que la misma estuvo siempre ligada a distintas invenciones y experimentaciones. Hoy en día, la misma es enormemente descriptiva de los fenómenos que tienen lugar en lo que respecta a la energía y especialmente en lo que hace referencia a los procesos relacionados con el calor.
Primera ley de la termodinámica.
La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. Entonces esta ley expresa que, cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico, el calor cedido por el sistema será igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa.
Es decir Q = W, en que Q es el calor suministrado por el sistema al medio ambiente y W el trabajo realizado por el medio ambiente al sistema durante el ciclo.
Un ejemplo sencillo seria: Al remover con un taladro el agua contenida en un recipiente, le estamos aplicando trabajo, que es igual al calor que este emite al medio ambiente al calentarse. En este caso, el sistema puede ser el agua, el medio sería el taladro, el aire circundante y todo lo que está fuera del sistema que no sea agua (pues lo que está afuera recibirá calor del sistema).
La primera ley para un sistema.
En este caso, el sistema podría ser el agua contenida en un recipiente, y el medio ambiente todo lo que rodea el recipiente, que serian desde la cocina en donde descansa el recipiente con agua hasta el quemador que le suministra calor, en fin, la atmósfera y todo lo que esté fuera del recipiente.
Supongamos que encima de este recipiente colocamos una tapa, únicamente usando su peso. Supongamos además que al recipiente se le suministra calor del quemador de la cocina que lo contiene. A medida que el agua empieza a hervir, la tapa empieza a moverse cada vez más rápidamente. El movimiento de la tapa es entonces el desplazamiento que representa el trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente.
Segunda ley de la termodinámica.
Tanto la primera ley de la termodinámica como la ley cero son generales y absolutamente ciertas y exactas no nos explican muchas realidades que siempre observamos, estas realidades las explica la segunda ley de la termodinámica sin violar o quebrantar la primera y la tercera ley de la termodinámica.
Dirección en la que fluye el calor.
De la segunda ley se deriva que, en un proceso natural, el calor se transfiere siempre de un cuerpo con mayor temperatura a uno con menor temperatura y nunca al contrario. Si quisiéramos realizar lo contrario sería mediante un proceso artificial, con la intervención de un trabajo.
Pérdidas de energía.
En la primera ley, no eran tomadas en cuenta las pérdidas de energía que tienen lugar en los procesos termodinámicos. Tal pérdida es el resultado de la ley cero de la termodinámica y de los tres tipos de transferencia de calor que existen (conducción, convección o radiación). Primeramente, sean dos o más cuerpos a diferentes temperatura, puestos en contacto o a cierta distancia, pasado cierto tiempo, alcanzan el equilibrio térmico, ya sea por conducción, convección o radiación.
Supongamos un solo cuerpo que sea sometido a una determinada temperatura. Al inicio una parte se calienta primero (la que está sometida inicialmente a mayor temperatura), con el tiempo, el cuerpo entero alcanza el equilibrio térmico, por conducción en su interior. Esto hace que como el cuerpo tiene contacto con su medio ambiente, durante el tiempo de conducción, tienen lugar transferencia de calor por radiación y convección del cuerpo en cuestión, hacia el medio que lo rodea.
Si este cuerpo es una maquina térmica, realizará trabajo para el que está diseñado, la pérdida de energía es el calor que se escapó, cediéndoselo a su medio ambiente durante la convección y radiación expuestas anteriormente.
Las pérdidas de energía también se deben a la fricción de los materiales en movimiento relativo
El sistema puede moverse aumentando su volumen, realizando un trabajo sobre el medio ambiente y recibiendo calor de este; o recibiendo cierta cantidad de trabajo de parte del medio que lo rodea contrayéndose y cediéndole calor a este.
Deposito de alta y baja temperatura.
En los depósitos de alta y baja temperatura es considerado el medio ambiente que rodea el sistema. Las pérdidas de energía tienen lugar en el depósito de baja temperatura. El sistema es el que está aislado, siendo un trozo de masa solida, gaseosa o liquida, contenida en un volumen cualquiera y rodeado por el medio, separado de este por su superficie o frontera.
El calor que realiza trabajo útil es igual a la diferencia entre el calor total cedido al sistema por el depósito de alta temperatura menos el calor cedido por el sistema al depósito de baja temperatura.
De esta manera: W= Q – q, en que Q es calor total, q es calor que se pierde o cedido por el sistema hacia el depósito de baja temperatura, y W es trabajo útil.
Esto trae como resultado de acuerdo a la segunda ley, que la eficiencia de cualquier dispositivo o máquina nunca podrá alcanzar el 100%, pues sería una máquina perfecta y perpetua... algo que nunca se ha observado.
Maquina de calor.
En la vida práctica el sistema puede ser una máquina con un dispositivo llamado turbina. Esta recibe calor mediante el suministro de vapor a altas temperatura de un inyector conectado a una caldera, realiza trabajo al mover aleje de un generador, produce electricidad y parte del calor lo cede como agua condensada muy caliente (por un lado) y otra parte por convección y radiación al medio exterior, que es parte del medio ambiente y llamado también deposito de baja temperatura.
La caldera y el inyector serian el depósito de alta temperatura y el de baja seria el que recibe el calor de la máquina. Así en una máquina real, Q es calor de alta o total, q es calor de baja, y w es trabajo realizado.
Si hacemos: Q = U2- U1+ W es la primera ley, pues la energía total no se ha perdido: se conserva. Hay que tener en cuenta que, en la fórmula, Q (calor cedido al sistema), U2 – U1 (variación de la energía interna) y W (trabajo realizado por la máquina) serian para una máquina ideal.
Para la maquina real, no todo el calor recibido llega a realizar un trabajo útil, las pérdidas de calor que obedecen a que (calor hacia el depósito de baja temperatura) es energía que no produce trabajo, y se pierde.
Para entender mejor.
Calor: podemos decir que el calor es una forma de energía producida por el movimiento molecular de los cuerpos. el calor no es visible, pero podemos medirlo y ver sus efectos. El frío no existe en realidad, puesto que es la ausencia de calor.
La consecuencia más inmediata del calor, es modificar la velocidad y estructura de las moléculas que forman un cuerpo. Así pues, si calentamos un cuerpo, aumentamos la vibración o la velocidad de las moléculas que lo componen.
Calor sensible: es el calor que se emplea para variar la temperatura de un cuerpo.
Calor latente: es el calor que se emplea par que se produzca el cambio de estado de un cuerpo.
caloría: unidad de calor, es la caloría se define como el calor necesario para aumentar la temperatura de 1 gramo de agua a 15ºc en un grado.
1 Kcal. = 1.000 calorías (cal). 1 Kcal. = 4.187 julio (j)
Los anglosajones utilizan como unidad la b.tu. (british thermal unit) y equivale a 0,252 kcal.
Frió: el frío por definición no existe, simplemente es la ausencia de calor.
Frigoría (frig.): una frigoría es la cantidad de calor que tenemos que sustraer a 1 kg de agua a 15ºc, para disminuir su temperatura en lºc, es decir una kilocaloría negativa.
Humedad específica o relativa (hc): representa el peso de vapor de agua, por unidad de peso de aire seco, expresado en gramos por kg de aire seco. Una hr del 100% indica que el aire ya contiene toda el agua que puede disolver, con lo que no se podrán evaporar más gramos de agua.
Zona de confort. Son las condiciones dadas, de temperatura y humedad relativa, bajo las que se encuentra confortable la mayor parte de los seres humanos. Estas condiciones oscilan entre 22ºc y 27ºc de temperatura y entre el 40% al 60% de hr.
Tercera ley de la termodinámica.
La tercera ley de la termodinámica afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas. Sucintamente, puede definirse como:
Al llegar al cero absoluto (0 K) cualquier proceso de un sistema se detiene.
Al llegar al 0 absoluto (0 K) la entropía alcanza un valor constante.
La tercera ley fue desarrollada por Walther Nernst entre los años 1906 y 1912 y se refiere a ella en ocasiones como el Teorema de Nernst. Afirma que la entropía de un sistema dado en el cero absoluto tiene un valor constante. Esto es así porque un sistema en el cero absoluto existe en su estado fundamental, así que su entropía está determinada solo por la degeneración de su estado fundamental.
En términos simples, la tercera ley indica que la entropía de una sustancia pura en el cero absoluto es cero. Por consiguiente, la tercera ley provee de un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. La entropía relativa a este punto es la entropía absoluta.
Un caso especial se produce en los sistemas con un único estado fundamental, como una estructura cristalina. La entropía de un cristal perfecto definida por el teorema de Nernst es cero (dado que el ln (1)=0). Sin embargo, esto desestima el hecho de que los cristales reales deben crecer en una temperatura finita y poseer una concentración de equilibrio por defecto. Cuando se enfrían generalmente son incapaces de alcanzar la perfección completa. Esto, por supuesto, se mantiene en la línea de que la entropía tiende siempre a aumentar dado que ningún proceso real es reversible.
Otra aplicación de la tercera ley es con respecto al momento magnético de un material. Los metales paramagnéticos (con un momento aleatorio) se ordenarán a medida de que la temperatura se acerque a 0 K. Se podrían ordenar de manera ferromagnética (todos los momentos paralelos los unos a los otros) o de manera antiferromagnética.
La tercera de las leyes de la termodinámica afirma que es imposible alcanzar una
temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos, ya que
a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un
valor constante específico. A medida que el sistema se acerca al cero absoluto, el
intercambio calórico es cada vez menor hasta llegar a ser casi nulo. Ya que el flujo espontáneo de calor es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a los
de temperatura más baja (Segunda ley), sería necesario un cuerpo con menor
temperatura que el cero absoluto; y esto es imposible.
La tercera ley de la termodinámica afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas. Sucintamente, puede definirse como:
Al llegar al cero absoluto (0 K) cualquier proceso de un sistema se detiene.
Al llegar al 0 absoluto (0 K) la entropía alcanza un valor constante.
La tercera ley fue desarrollada por Walther Nernst entre los años 1906 y 1912 y se refiere a ella en ocasiones como el Teorema de Nernst. Afirma que la entropía de un sistema dado en el cero absoluto tiene un valor constante. Esto es así porque un sistema en el cero absoluto existe en su estado fundamental, así que su entropía está determinada solo por la degeneración de su estado fundamental.
En términos simples, la tercera ley indica que la entropía de una sustancia pura en el cero absoluto es cero. Por consiguiente, la tercera ley provee de un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. La entropía relativa a este punto es la entropía absoluta.
Un caso especial se produce en los sistemas con un único estado fundamental, como una estructura cristalina. La entropía de un cristal perfecto definida por el teorema de Nernst es cero (dado que el ln (1)=0). Sin embargo, esto desestima el hecho de que los cristales reales deben crecer en una temperatura finita y poseer una concentración de equilibrio por defecto. Cuando se enfrían generalmente son incapaces de alcanzar la perfección completa. Esto, por supuesto, se mantiene en la línea de que la entropía tiende siempre a aumentar dado que ningún proceso real es reversible.
Otra aplicación de la tercera ley es con respecto al momento magnético de un material. Los metales paramagnéticos (con un momento aleatorio) se ordenarán a medida de que la temperatura se acerque a 0 K. Se podrían ordenar de manera ferromagnética (todos los momentos paralelos los unos a los otros) o de manera antiferromagnética.
La tercera de las leyes de la termodinámica afirma que es imposible alcanzar una
temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos, ya que
a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un
valor constante específico. A medida que el sistema se acerca al cero absoluto, el
intercambio calórico es cada vez menor hasta llegar a ser casi nulo. Ya que el flujo espontáneo de calor es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a los
de temperatura más baja (Segunda ley), sería necesario un cuerpo con menor
temperatura que el cero absoluto; y esto es imposible.
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