La termodinámica es un área de la física que estudia las transferencias de energía. Busca comprender las relaciones entre calor, energía y trabajo, analizando las cantidades de calor intercambiadas y el trabajo realizado en un proceso físico.
La ciencia termodinámica fue desarrollada inicialmente por investigadores que buscaban una forma de mejorar las máquinas, en el período de la Revolución Industrial, mejorando su eficiencia.
Este conocimiento se aplica actualmente en diversas situaciones de nuestra vida diaria. Por ejemplo: máquinas térmicas y refrigeradores, motores de automóviles y procesos de transformación de minerales y derivados del petróleo.
Leyes de la termodinámica
Las leyes fundamentales de la termodinámica gobiernan cómo el calor se convierte en trabajo y viceversa.
Primera ley de la termodinámica
LA Primera ley de la termodinámica se relaciona con el principio de conservación de energía. Esto significa que la energía de un sistema no se puede destruir ni crear, solo transformar.
La fórmula que representa la primera ley de la termodinámica es la siguiente:
La cantidad de calor, trabajo y variación de energía interna tienen como unidad de medida estándar el Joule (J).
Un ejemplo práctico de conservación de energía es cuando una persona usa una bomba para inflar un objeto inflable, está usando fuerza para bombear aire dentro del objeto. Esto significa que la energía cinética hace que el pistón baje. Sin embargo, parte de esta energía se transforma en calor, que se pierde en el medio ambiente.
LA Ley de Hess es un caso particular del principio de conservación de energía. ¡Sepa mas!
Segunda ley de la termodinámica
A transferencias de calor siempre ocurren del cuerpo más caliente al cuerpo más frío, ocurre espontáneamente, pero no al revés. Es decir, los procesos de transferencia de energía térmica son irreversibles.
De esta manera, por el Segunda ley de la termodinámica, no es posible que el calor se convierta completamente en otra forma de energía. Por esta razón, el calor se considera una forma de energía degradada.
La cantidad física relacionada con la Segunda Ley de la Termodinámica es la entropía, que corresponde al grado de desorden de un sistema.
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Ley cero de la termodinámica
LA Ley cero de la termodinámica trata de las condiciones para la obtención del equilibrio térmico. Entre estas condiciones podemos mencionar la influencia de materiales que hacen que la conductividad térmica sea mayor o menor.
Según esta ley,
- si un cuerpo A está en equilibrio térmico en contacto con un cuerpo B y
- si este cuerpo A está en equilibrio térmico en contacto con un cuerpo C, entonces
- B está en equilibrio térmico en contacto con C.
Cuando se ponen en contacto dos cuerpos con diferentes temperaturas, el que está más caliente transferirá calor al que está más frío. Esto hace que las temperaturas se igualen alcanzando el equilibrio térmico.
Se llama ley cero porque su comprensión resultó necesaria para las dos primeras leyes que ya existían, la primera y la segunda leyes de la termodinámica.
Tercera ley de la termodinámica
LA Tercera ley de la termodinámica aparece como un intento de establecer un punto de referencia absoluto que determina la entropía. La entropía es en realidad la base de la Segunda Ley de la Termodinámica.
Walther Nernst, el físico que lo propuso, concluyó que no era posible que una sustancia pura con una temperatura de cero tuviera una entropía en un valor aproximado de cero.
Por ello, es una ley controvertida, considerada por muchos físicos como una regla y no una ley.
sistemas termodinámicos
En un sistema termodinámico puede haber uno o varios cuerpos que estén relacionados. El entorno que lo rodea y el Universo representan el entorno externo al sistema. El sistema se puede definir como: abierto, cerrado o aislado.
sistemas termodinámicos
Cuando se abre el sistema, hay una transferencia de masa y energía entre el sistema y el entorno externo. En el sistema cerrado solo hay transferencia de energía (calor), y cuando está aislado no hay intercambio.
comportamiento de los gases
El comportamiento microscópico de los gases se describe e interpreta con mayor facilidad que en otros estados físicos (líquido y sólido). Es por eso que los gases se utilizan más en estos estudios.
En estudios termodinámicos se utilizan gases ideales o perfectos. Es un modelo en el que las partículas se mueven caóticamente e interactúan solo en colisiones. Además, se considera que estas colisiones entre las partículas, y entre ellas y las paredes del contenedor, son elásticas y duran muy poco tiempo.
En un sistema cerrado, el gas ideal presupone un comportamiento que involucra las siguientes magnitudes físicas: presión, volumen y temperatura. Estas variables definen el estado termodinámico de un gas.
Comportamiento de los gases según las leyes de los gases
La presión (p) se produce por el movimiento de partículas de gas dentro del contenedor. El espacio que ocupa el gas en el interior del contenedor es el volumen (v). Y la temperatura (t) está relacionada con la energía cinética promedio de las partículas de gas en movimiento.
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energía interna
La energía interna de un sistema es una cantidad física que ayuda a medir cómo ocurren las transformaciones que sufre un gas. Esta magnitud está relacionada con la variación de temperatura y energía cinética de las partículas.
Un gas ideal, formado por un solo tipo de átomo, tiene energía interna directamente proporcional a la temperatura del gas. Esto está representado por la siguiente fórmula:
Ejercicios resueltos de termodinámica
Pregunta 1
Un cilindro con un pistón móvil contiene un gas a una presión de 4.0.104Nuevo Méjico2. Cuando se suministran 6 kJ de calor al sistema, a presión constante, el volumen de gas se expande en 1.0.10-1metro3. Determine el trabajo realizado y el cambio de energía interna en esta situación.
Respuesta correcta: el trabajo realizado es 4000 J y el cambio de energía interna es 2000 J.
Datos:
PAG = 4,0.104 Nuevo Méjico2
Q = 6KJ o 6000J
ΔV = 1,0.10-1 metro3
T =? ΔU =?
1er paso: Calcule el trabajo con los datos del problema.
T = P. ΔV
T = 4.0.104. 1,0.10-1
T = 4000 J
2do paso: Calcule la variación de la energía interna con los nuevos datos.
Q = T + ΔU
ΔU = Q - T
ΔU = 6000 - 4000
ΔU = 2000J
Por tanto, el trabajo realizado es de 4000 J y el cambio de energía interna es de 2000 J.
Pregunta 2
(Adaptado de ENEM 2011) Un motor solo puede realizar un trabajo si recibe una cantidad de energía de otro sistema. En este caso, la energía almacenada en el combustible se libera, en parte, durante la combustión para que el aparato pueda funcionar. Cuando el motor funciona, parte de la energía convertida o transformada en la combustión no se puede utilizar para trabajar. Esto significa que hay una fuga de energía de otra forma.
Según el texto, las transformaciones de energía que se producen durante el funcionamiento del motor se deben a:
a) la liberación de calor dentro del motor es imposible.
b) el trabajo realizado por el motor es incontrolable.
c) la conversión completa de calor en trabajo es imposible.
d) la transformación de energía térmica en cinética es imposible.
e) el uso potencial de energía del combustible es incontrolable.
Alternativa correcta: c) la conversión completa de calor en trabajo es imposible.
Como se vio anteriormente, el calor no se puede convertir completamente en trabajo. Durante el funcionamiento del motor, parte de la energía térmica se pierde, siendo transferida al ambiente externo.
vea también: Ejercicios de termodinámica
