Primera ley de la termodinámica.
La primera ley de la termodinámica establece que, cuando se añade calor Q a un sistema mientras éste efectúa trabajo W, la energía interna U cambia en una cantidad igual a Q – W.
La primera ley de termodinámica es la misma ley del principio de conservación de la energía, la cual exige que para todo sistema termodinámico se cumpla:
∆U = Q-W
Siendo ∆U la energía interna del sistema.
Trabajo en los gases.
Se considera un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón, sobre el cual actúa la presión atmosférica P, cuando la temperatura del gas aumenta, el gas se expande a presión constante, cuando el gas se expande ejerce una fuerza F sobre el pistón y le produce un incremento en su volumen ∆V, de tal modo que el trabajo realizado por el gas sobre el pistón está dado por:
W = P*∆V
Procesos termodinámicos.
Proceso adiabático.
Se designa como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico.
El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática de una llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar de que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.
Durante un proceso adiabático, la energía interna del fluido que realiza el trabajo debe necesariamente decrecer.
Es decir, que en este tipo de procesos se tiene que Q = 0. Que de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos que:
Q= ∆U +W
Como Q =0, entonces, ∆U = -W.
Esto quiere decir, que para un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón, cuyas paredes no permiten la transferencia de calor al exterior, la variación de energía interna es igual al trabajo, ya sea realizado por el sistema o sobre el sistema.
Proceso isotérmico.
En este proceso la temperatura permanece constante. Como la energía interna de una gas ideal sólo es función de la temperatura, en un proceso isotérmico de un gas ideal la variación de la energía interna es cero (∆U= 0) La curva hiperbólica se conoce como isotérmica.
De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos:
Q = ∆U +W.
Como ∆U = 0, entonces, Q = W
Este proceso se observa cuando en un pistón que contiene un gas, después de suministrarle calor y producir cambios tanto en la presión como en el volumen su temperatura permanece constante.
Proceso isobárico.
Es un proceso termodinámico en el cual la presión permanece constante, en este proceso, como la presión se mantiene constante, se produce una variación en el volumen y por tanto el sistema realiza trabajo o se puede realizar trabajo sobre el sistema.
De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos:
Q = ∆U +W
Lo que quiere decir que en un proceso de tipo isobárico tanto el calor transferido como el trabajo realizado ocasionan una variación de la energía interna.
Proceso isométrico
En este proceso el volumen permanece constante, es decir que en este tipo de proceso el volumen no varía y por tanto el trabajo es igual a cero, lo que significa queW= 0.
De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos:
Q = ∆U +W
Como W=0, entonces Q = ∆U
Ejemplos.
1. Sobre un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón se realiza un trabajo de 5000 J, mediante un proceso isotérmico. Determinar:
a. La variación de la energía interna del gas.
b. El calor absorbido o cedido por el gas.
Solución:
a. Puesto que el proceso es isotérmico, se tiene que ∆U = 0, luego la energía interna no varía.
b. Como el trabajo se realiza sobre el gas W = -5000 J, por tanto,
Q = ∆U + W
Q =0 – 5000J
Q = -5000J
Puesto que el calor es negativo, concluimos que el gas cede calor y su valor es 5000J.
2. En la figura, se muestra un diagrama P-V en el que se representan dos procesos A y B, a los que se somete un gas para pasar del estado 1 al estado 2. Determinar:
a. Las variables en los estados 2 y 3.
b. El proceso en el que se realiza mayor trabajo sobre el gas.
c. El proceso en el que es mayor el incremento de la energía interna.
d. El proceso en el que el sistema absorbe más calor.
T2=400k
|
P2
|
2 el proceso A es de tipo
P3
|
Isotérmico, mientras que
3
|
B
|
el proceso B es adiabático.
T1 =300k
|
P1
|
1
|
A
|
V2=2L
|
V1=6L
|
Solución.
a. De las leyes de los gases
P1V1=P2V2 para temperatura constante y P1V1T2= P2V2T1 para temperaturas diferentes.
Luego en el proceso de los estados 1 a 3 como es un proceso isotérmico la temperatura es constante, así las variables del estado son:
P1= 1 atm V1=6L, V3=2L, P3=P1V1/ V3 :P3=1 atm*6L/2L=3atm, T3=300k
Para el proceso de los estados 2 a 3, ocurre a volumen constante es decir, se presenta un proceso isométrico.
P2V2T3= P3V3T2 : P2T3= P3T2 : P3=P2T3/T2: P3=3atm*400k/300K =4atm
Luego las variables de estado en el proceso 2 a 3 son:
P3= 3 atm, P2=4atm,
V=2L, T3=300k, T2=400k
b. Puesto que el área comprendida entre la gráfica y el eje horizontal es mayor para el proceso B, el trabajo realizado sobre el gas es mayor en dicho proceso. También observamos que en ambos procesos el gas se comprime lo que quiere decir que se realiza trabajo sobre el sistema.
c. Como en los dos procesos existe un cambio de temperatura de 100k, el incremento en la energía interna del sistema es igual en ambos casos.
d. El sistema no absorbe calor en el proceso B, puesto que se trata de un proceso adiabático, por tanto el gas absorbe más calor en el proceso A.
Taller de aplicación
El siguiente taller debe realizarse individualmente y hace parte del seguimiento (seguimiento 1) y deberá ser entregado en la próxima clase, con los cálculos respectivos y un análisis cualitativo de lo que se hace.
1. Tres moles de un gas ideal se llevan por el ciclo abc como muestra la figura, para este gas Cp= 29.1 J/mol*k. la temperatura del gas en los estados a, c y b es: Ta= 300k, Tc=492K y Tb=600k. determinar.
a. Los procesos termodinámicos que se presentan durante el ciclo, dibuje cada uno de ellos con diferente color y explique por qué se dan.
b. Los cambios de energía de cada proceso.
c. El trabajo total realizado por el ciclo.
d. El calor que absorbe o cede el sistema y haga una interpretación de este.
T2
b
|
T3
c
|
T1
a
|
P1=1 atm
|
P2
|
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
La transmisión por conducción se produce cuando la energía se propaga debido a los choques entre las partículas.
En cada choque las partículas ceden parte de su energía cinética a las partículas contiguas, todo ello sin que haya transporte neto de materia.
En la animación anterior puedes ver cómo al encender la placa las patículas comienzan a moverse más rápidamente y la energía cinética se transmite desde las partículas de la placa vitrocerámica al cazo, a la parte metálica del mango y finalmente a la madera del mango, con el consiguiente aumento de temperatura en todas las zonas.
Este tipo de transmisión es característico de los sólidos, ya que los líquidos conducen muy mal y los gases prácticamente no conducen. Dentro de los sólidos existen muy buenos conductores del calor como los metales y malos conductores, como la madera o el papel.
Cuando dos partes de un material se mantienen a temperaturas diferentes, la energía se transfiere por colisiones moleculares de la mas alta a la mas baja temperatura. Este proceso de conducción es favorecido también por el movimiento de electrones libres en el interior de la sustancia, los cuales se han disociado de sus átomos de origen y tienen la libertad de moverse de uno a otro átomo cuando son estimulados ya sea térmica o eléctricamente. La mayoría de los metales son eficientes conductores del calor porque tienen cierto numero de electrones libres que pueden distribuir calor, además del que se propaga por la agitación molecular.
En general, un buen conductor de la electricidad también lo es del calor.“La ley fundamental de la conduccion térmica es una generalización de resultados experimentales relacionados con el flujo de calor a través de un material en forma de placa.”
1. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es directamente proporcional a la diferencia de temperatura (Δt=t´ - t)
2. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es inversamente proporcional al área A de la placa.
3. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es inversamente proporcional al espesor de L de la placa.Estos resultados se pueden expresar en forma de ecuación introduciendo la constante de proporcionalidad K. Así pues escribimos nuestra primera formula:
H= Q/Τ=kA(Δt/L)
FORMULA 18.1
Donde:
FORMULA 18.1
Donde:
H representa la razón con la que se transfiere el calor. Aun cuando la ecuación se estableció para un material en forma de placa, también se cumple para una barra de sección transversal A y longitud L.
La constante de proporcionalidad k es una propiedad de cada material que se conoce como conductividad térmica.
A partir de la ecuación anterior , se puede observar que las sustancias con alta conductividad térmica son buenas conductoras del calor, mientras que las sustancias con baja conductividad son conductoras pobres o aislantes.
“La conductividad térmica de una sustancia es una medida de su capacidad para conducir el calor y se define por medio de la relación:”
k= QL / ΤA Δt
FORMULA 18.2
FORMULA 18.2
0 comentarios:
Publicar un comentario