1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
-
Upload
pamela-olivos-baldera -
Category
Documents
-
view
223 -
download
0
Transcript of 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
1/69
Primer principio de la
termodinmicaTransformaciones. Aplicacin a gases
ideales
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
2/69
La Primera Ley de laTermodinamica es la ley deconservacion de la energia aplicada
a los sistemastermodinamicos
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
3/69
Calor: cantidad que fluye a travs de la frontera de un sistema
durante un cambio de estado, en virtud de una diferencia detemperatura entre el sistema y su entorno, que fluye de un punto de mayor temperatura a otro de menor temperatura.
Trabajo: cantidad que fluye a travs de la frontera de unsistema durante un cambio de estado y que puede utilizarse porcompleto para elevar un cuerpo en el entorno
Trabajo: energ a que fluye a travs de la frontera del sistema en forma tal que la diferencia de temperatura no est! involucrada
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
4/69
SMedio
Estado inicialEl sistema se encuentra enun estado de equilibriorespecto al medio.
Q W
El sistema interacta con el
medio intercambiando energaen forma de trabajo y de calor.
Estado final
El sistema se encuentra en unestado final (distinto en generaldel inicial y en equilibrio con elmedio.
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
5/69
!on"encin de signos#
$i el sistema reali%a trabajo sobre el medio &' $i el medio reali%a trabajo sobre el sistema &) .
$i el medio cede calor al sistema* +' $i el sistema cede calor al medio* +)
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
6/69
Estado inicial Estado final
Ejemplo de transformacintermodinmica
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
7/69
$istema#generador,circuito,agua,recipiente &) - +
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
8/69
$istema#Agua,recipiente
& - +'
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
9/69
Ecuaciones de estado#
/ (p*0*T 1na de las 2 "ariables queda determinada por las otras 3 que se consideran independientes.
!ualquier funcin de estado puede entonces escribirseen funcin de dos de las "ariables termodinmicas
( ) nRT nbV V
an p
nRT pV
=
+
=
3
3
Ejemplos de ecuaciones de estado
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
10/69
Procesos cuasiestacionarios# el sistema que e4perimenta latransformacin pasa por sucesi"os estados de equilibrio* con sus"ariables de estado tomando "alores definidos en cada
punto(representables en un diagrama p50 u otros
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
11/69
$e define como una ideali%acin de un proceso real que se lle"aa cabo de tal modo que el sistema est en todo momento muycerca del estado de equilibrio* como un proceso que se reali%a enun nmero muy grande de pasos* o que lle"a muc6o tiempo.
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
12/69
Transformacionescclicas
Procesos reversibles# el sistema e4perimentauna transformacin cclica cuasiestacionaria sin
producir cambios en el entorno(ideal
A
7
El sistema e"olucionadesde un estado (A ydespu8s de sucesi"as
transformaciones terminaen el mismo estado inicial
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
13/69
9:e"ersible;
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
14/69
pAdsd dW gas == sF
pdV dW =
f
i
V
V
W pdV =
p f * 0 f *T f
ds
p i*0 i*Ti
F
Trabajo termodinmico reali%ado por un gas
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
15/69
Calculo del trabajo en la expansinisot rmica de un !as ideal
T
p i*0 iT
/uente t8rmica a latemperatura T en
contacto con el gas
T
p f *0 f *T
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
16/69
= f
i
V
V
pdV W nRT pV =
== f
i
V
V i
f
V
V nRT dV
V nRT
W ln(
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
17/69
cur"ala bajoArea== f
i
V
V
pdV W
0 i
pi
0 f
p f
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
18/69
C"lculo del trabajo termodin"mico en otrosprocesos del !as ideal
#socora o avolumen constante
=o 6ay "ariacin de"olumen del gas* luego
W=0
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
19/69
#sbara o a presin constante
W=p(V B-V A )
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
20/69
A
7
Trabajo en unatransformacin
cclica$
& 7A >& A7
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
21/69
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
22/69
0
p
0
p
>
32?
El trabajo reali%ado por &sobre' el !as depende deltipo de transformacin termodin"mica reali%ada
entre los mismos estados inicial ( final
El calor )ue flu(e desde&*acia' el sistema durante
una transformacin
termodin"mica entre dosestados depende del tipode transformacin
termodin"mica reali%ada$
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
23/69
Sin embar!o al calcular la diferenciaentre el calor intercambiado ( el
trabajo reali%ado+ sta resulta serconstante para todas lastransformaciones$$$$
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
24/69
0
p
0
p
>
32?
> > 3 3 2 2 ? ?Q W Q W Q W Q W = = =
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
25/69
Si definimos una cantidad , a la)ue llamamos energ a interna delsistema ...
W QU =
Q-W solo depende de los estados inicial y final .es independiente del camino &del tipo de
transformacin'
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
26/69
@os e4perimentos de ouleindican que tiene sentido "ablarde la diferencia de energia entredos estados de un sistema (elagua dentro del recipiente y queesta diferencia se puede medir
por medio de la cantidad detrabajo que 9desaparece; delambiente mientras el sistema
pasa de un estado en otro encondiciones adiabaticas.
W U agua = 5
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
27/69
B1 corresponde* por definicin* a una cantidad que nodepende de la naturale%a del proceso usado para medirla.
1 es una cantidad capa% de describir el estado de un sistema
o* simplemente* una funci#n de estado Cientras que 1 es una funcin de estado* + y & slo tienen
sentido y aparecen en escena si ocurre un proceso
@a definicion de energia interna se basa en dos generali%acionesD cualquier par de estados de un sistema termodinamico se
puede conectar mediante la reali%acion de un trabajo adiabaticoD la cantidad de trabajo adiabatico necesaria para conectar dosestados dados depende solamente de los estados y no del modo
particular de efectuar ese trabajo.
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
28/69
efinicin de la primera ley de la termodinmica
D Para todo sistema termodinmico e4iste una magnitud U,llamada energa in erna, !"e es funcin slo del estado delsistema y no de los procesos mediante los cuales se obtu"o eseestado.D @a diferencia de energa interna entre dos estados se mide por
el trabajo adiabtico necesario para lle"ar al sistema de uno delos estados al otro.D Para procesos no adiabticos* la diferencia entre el trabajo quese reali%a y la "ariacin de energa interna es* por definicin*calor.
W QU =
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
29/69
Se verifica experimentalmente )uela ener!a interna de un !as ideal
solo es funcin de T
(U U T =
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
30/69
@a "ariacin de energa interna de un gas ideal entre dosestados cualesquiera* independientemente de la
transformacin esV U nc T =
p
0
a
b
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
31/69
Fas monoatmico ideal
Fas diatmico ideal
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
32/69
e aqu sale la importante relacin
p V c c R =
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
33/69
1n mol de gas ideal monoatmico sigue un proceso termodinmicocclico* que consta de una e4pansin isot8rmica* una compresin
isobrica y un aumento de presin a "olumen constante. $iTa 2 G* P a H atm y P b > atm * calcule* para cada e"olucin y
el ciclo completo#a el trabajo que reali%a el gas
b El cambio en energa interna y la cantidad de calor queintercambia con el medio e4terior
Pa
bc
V
(atm
H
>
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
34/69
Pistndeslizante sin
rozamiento
Expansin &compresin' adiab"tica de un !as
W QU =
W dU =
pdV W
dT # dU V ==
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
35/69
0 A 0 7
pA
p7
isotermas
adiabtica
A
7
W=- BU=-nc V (T B-T A
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
36/69
$EF1= I P:
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
37/69
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
38/69
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
39/69
F,E/TE T01M#C2sistema que puede intercambiar calor con otros sistemassin cambiar 8l mismo su temperatura. 1na fuente t8rmicase puede imaginar como un cuerpo de capacidad calorficamuy grande* que est todo a la misma temperatura
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
40/69
W QU =Primer principio de la termodin"mica(
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
41/69
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
42/69
Mquina de vapor
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
43/69
Mquina trmica ideal
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
44/69
3>
3>
QQW
QQW
=
+=
>
3>
> QQQ
QW ==
1endimiento de una ma)uina t rmica
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
45/69
>
3> Q
Q=
3
K
> >
.> > .>QW
Q Q
= =
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
46/69
Defnicin de efciencia
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
47/69
Es)uema defri!orfico
E@ frigorfico recibe trabajo de una fuente e4terna y loutili%a para e4traer calor de una fuente fra y cederlo a una
caliente
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
48/69
Mquina trmica y mquina rigorfca
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
49/69
absorbido absorbidoQ Q
e W W = =
Eficiencia de un fri!orfico
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
50/69
El ingeniero franc8s =. $adi !arnot (>LMN5>O23 publicen >O3? su famosa memoria Refle$iones sobre la po encia mo ri& del calor ' sobre las m !"inas
apropiadas para desarrollar es a po encia
9 A men"do se a plan eado la c"es i*n sobre si la po encia mo ri& del calor es
limi ada o infini a+ el !"e si mejoras posibles a estas m!quinas de vaportienen un l mite asignable, un l mite
que, en la naturaleza de las cosas, no pueda e%cederse por medio alguno, o
si, por lo contrario, estas mejoras pueden e%tenderse indefinidamente ;
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
51/69
5elvin+ 6ord o T*omson+William (>O3?5>M L *matemtico y fsico
britnico.En el campo de latermodinmica* Gel"indesarroll el trabajo reali%ado
por ames Prescott oulesobre la interrelacin delcalor y la energa mecnica* yen >OH3 ambos colaboraron
para in"estigar el fenmeno alque se conoci como efecto
oule5T6omson . En >O?OGel"in estableci la escalaabsoluta de temperatura quesigue lle"ando su nombre.
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
52/69
!lausius* :udolf Emanuel (>O335>OOO * fsico matemtico alemn* unode los fundadores de la termodinmica.!lausius fue el primero en enunciar ladenominada segunda ley de latermodinmica (>OH . /ue uno de los
primeros que aplic las leyes de latermodinmica* especialmente elconcepto de entropa* a la teora de la
mquina de "apor. Tambi8n tu"o un papel importante en el desarrollo de lateora cin8tica de los gases.
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
53/69
Enunciados de la segunda ley dela termodinmica
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
54/69
@ord Gel"in#
s imposible efec "ar "na ransformaci*n cuyo $nico resultado sea ransformar en raba o el calor e$ rado de "na f"en e con lamisma empera "ra en odos s"s p"n os.
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
55/69
!lausius#
s imposible efec "ar "na ransformaci*n cuyo $nico resultado
sea ransferir calor desde "n c"erpo a "na empera "ra dada ao ro a empera "ra ma'or.
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
56/69
E)uivalencia de los enunciados'
!lausius no "lido Gel"in no "lido
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
57/69
El conjunto de una maquina frigorfica con un m"il perpetuo(Gel"in5PlancQ da lugar a una mquina que absorbe calor de
una fuente fra y lo cede a una fuente caliente sin que se aportetrabajo (!lausius
E)uivalencia de los enunciados#'
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
58/69
1n motor de Carnot es undispositi"o ideal que describe unciclo de !arnot. Trabaja entre dosfocos* tomando calor Q
/ del foco
caliente a la temperatura T / * produciendo un trabajo W * ycediendo un calor Q al foco fro a
la temperatura T .
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
59/69
Ciclo de Carnot
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
60/69
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
61/69
Teorema de !arnot#
l rendimien o 1 de odas las ma!"inas re%ersibles operandoen re las mismas dos empera "ras es el mismo, ' ning"nam !"ina irre%ersible operando en re las mismas empera "ras
p"ede ener "n rendimien o ma'or !"e 1
El rendimiento de un motor de !arnot es el "alor lmite quetericamente alcan%ara la mquina re"ersible* de forma queel rendimiento t8rmico de una maquina real es inferior a ese
lmite.
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
62/69
Rendimiento de una mquina irreversible en
comparacin con una reversible
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
63/69
Rma4
) l* aun para procesos ideales &no "aym!quinas cien por ciento eficientes operando
entre dos temperaturas'
3
>
> 2A3 T T
=
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
64/69
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
65/69
S0ale la pena utili%ar el ciclo de !arnot para construiruna mquina t8rmicaJ
El intercambio de calor durante las transformacionesisot8rmicas es muy lento* lo que no 6ara un motor de
!arnot prctico....
$i utili%ramos un motor de !arnot en nuestro autoseguramente seramos rebasados por los peatones e
insultados por otros automo"ilistas...
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
66/69
1n acondicionador de aire mantiene la temperatura delambiente en >2 !* mientras la temperatura e4terior es de2 !. $i el artefacto fuera ideal* Scul sera su eficienciaJ
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
67/69
$i la eficiencia real del acondicionador es la tercera partede la ideal* Squ8 potencia debe desarrollar su motor parae4traer O.> N por 6oraJ
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
68/69
Concepto de entropa
Uiptesis de !lausius# en todo proceso re"ersible e isot8rmico(temperatura final igual a la inicial T el cociente + re" VT no
depende del proceso sino slo depende de los estados final einicial
ic6o cociente es una propiedad in6erente del sistema* al igualque 1- es una funcin de estado
-
7/26/2019 1 Calor_y_1er y 2da Ley Termodinamica
69/69
A esta cantidad se la denomin 9 entropa;
re% f i
Q4 4 4 T = =
Para un proceso isot rmico