Principios de la termodinámica PDF

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primer y segundo principio de la termodinámica...

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CALOR Y TEMPERATURA Pasará energía del cuerpo de mayor agitación molecular al de menor agitación hasta que, al nivelarse, deja de haber transferencia energética. Entonces alcanzarán un equilibrio térmico, es decir, los cuerpos están a igual temperatura. (J joule y cal calorías).

1 J= 0,2388 cal

1 cal= 4,18 J

La energía de cada cuerpo de relaciona con la energía cinética de los átomos y moléculas que lo componen. La energía se transfiere de un cuerpo a otro por el solo hecho de encontrarse a diferentes temperaturas se denomina calor (Q). Q cedido o saliente (-) Q entrante o absorbido (+)

Variación de temperatura: es la cantidad de calor intercambiada y la variación de temperatura producida son, directamente proporcionales. (C capacidad calorífica de cada material). Ejemplo 400 cal/°C esto significa que si absorbe 400 cal aumenta un °C y si cede 400 cal se disminuye un °C. Q= C. ΔT

Calor específico sensible: determinado estado de agregación sólida, liquida y gaseosa. (Ce Unidad cal/g. °C).

Q= Ce.m. ΔT

Ce= Q/m. ΔT

Agua= 1 cal/g.°C o 4,18 J/g.°C

Calor latente (L): pasar de un estado a otro. Unidad J/kg o kcal/kg. L= |Q|/m

L fusión (agua)= 80 cal/g

L vaporización (agua)= 540 cal/g

Cuando un gas se vuelve líquido no por disminución de la temperatura, sino por aumento de la presión el proceso se llama licuefacción. Si la vaporización ocurre en la superficie del líquido, se llama evaporación. Si sucede en toda la masa se llama ebullición. Reacciones exotérmicas cuando el sistema cede calor y reacciones endotérmicas cuando el sistema absorbe calor. CALORIMETRO DE MEZCLAS ADIABATICAS: no permiten el intercambio de calor con el exterior.

Q= C.m.ΔT + C.m.ΔT=0

TRANSMISION DE CALOR Calor: es la energía que fluye desde un cuerpo hacia otro cuya temperatura es menor. El calor se transmite del cuerpo más caliente al más frio, es decir, que para que haya transmisión de calor es necesario que haya diferencias de temperaturas entre dos sistemas o entre partes del mismo sistema. Conducción: dos objetos o parte del mismo objeto están en contacto, la velocidad media de las moléculas o átomos es mayor cuanto mayor es la temperatura. En los sólidos ocurre debido al movimiento de los electrones libres que no están unidos a un átomo determinado. Si tiene varios electrones libres los hace mejores conductores del calor y electricidad. Los líquidos y gases son peores conductores ya que el calor se conduce por el choque de las moléculas que los componen, al estar más separadas que en la materia sólida, conducen menos eficientemente. La materia en fase gaseosa en peor conductora que en fase líquida. LA LEY DE FOURIER Fuente térmica: es un sistema capaz de intercambiar calor sin variar apreciablemente su temperatura. El flujo de calor ΔQ/ ΔT es directamente proporcional al área y ΔT (Temperatura caliente – temperatura fría) y es inversamente proporcional a las diferencias entre las fuentes ΔX= L (longitud).

ΔQ/ ΔT= K.A. ΔT/ ΔX= K.A. ΔT/L

La ley dice si los extremos de la barra se ponen en contacto con fuentes térmicas existe un flujo de energía de la fuente más caliente hacia la más fría. Luego de un tiempo se observa que esto ocurre

en régimen estacionario. El flujo de calor a través de cualquier sección transversal es el mismo, en consecuencia, la temperatura en todos los puntos intermedios de la barra tampoco cambian con el tiempo.

P= ΔQ/Δt= K.A.ΔT/ΔX

ΔQ/Δt= (Tc – Tf) / Req

ΔT= ΔQ/Δt. r

Conexión en serie Ti = (R2 Tc + R1 Tf) / R1 + R2

Req= R1 + R2

Conexión en paralelo Interesa la velocidad con que se pierde calor a través de una pared, cuya mitad inferior es de ladrillo y la superior de madera. Tc > Tf

Req= 1/R1 + 1/R2

Ley de Stefan- Boltzmann e= 0 cuando es reflector perfecto. e=1 cuando es un cuerpo negro. No reflejan. Emisor perfecto. o= 5,67x10-8 J.seg/m.K

P= ΔE/ΔT= e.o.A.T4

Potencia neta= e.o.A.(T cuerpo4-T entorno4)

Primer principio de la termodinámica: trata de cómo evolucionan los sistemas a partir del intercambio de energía con el exterior o con otros sistemas. Universo: es el conjunto formado por el sistema y su entorno.

Sistemas termodinámicos: una parte del universo que aislamos para su estudio. Adentro= sistema afuera= exterior. Sistema abierto: intercambia materia y energía con el entorno. Sistema cerrado: intercambia energía con el entorno. Sistema aislado: no intercambia energía y materia con el entorno. Trabajo: es la energía intercambiada entre el sistema y su entorno que no fluye debido a una diferencia de temperatura, es decir, a toda forma de energía que atraviesa la frontera de un sistema, distinta del calor. Cálculo del trabajo en algunas evoluciones típicas ISOBARICA: presión constante.

L= P. (Vb – Va)= P. ΔV

ISOCORA: volumen constante. En estas evoluciones el trabajo realizado por el gas es cero. ISOTERMICA: temperatura constante.

L= ƞ.R.T.ln (Vb/Va)

L= ƞ.R.T.ln (Pb/Pa)

Si el gas se EXPANDE es decir aumente su volumen entonces el TRABAJO es POSITIVO. Si el gas se COMPRIME, es decir disminuye su volumen el TRABAJO es NEGATIVO. REVERSIBLE: no se produce cambios observables en el sistema, ni alrededor. El sistema realiza más trabajo y absorbe más calor. IRREVERSIBLE: se desvía de su estado de equilibrio. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA Establece que la variación de la energía interna de un sistema al pasar de un estado a otro, por cualquier evolución entre esos dos estados, es igual a la diferencia entre el calor intercambiado con el entorno y el trabajo realizado por el sistema sobre el entorno.

ΔE= Q + L

ΔU= Q + L entorno

ΔU= Q – L sistema

El calor es positivo si el sistema absorbe o recibe calor del medio. El trabajo es positivo si el sistema realiza trabajo sobre el medio externo. La energía interna es una función de estado porque sólo depende de los dos estados entre los que evoluciona el sistema. La energía interna del universo se conserva.

ΔU sistema + ΔU entorno =0

ΔU universo= ΔU sistema + ΔU entorno=0

Expansión adiabática libre de un gas ideal Se coloca un gas en un recipiente conectado a otro y tiene una llave de paso. Cerrado en el otro recipiente hay vacío (presión nula). Luego se abre la llave de paso y el gas se expande hacia el otro recipiente sin variar su energía interna a pesar de que el volumen y la presión variaron. Esto quiere decir que la energía interna de un gas ideal sólo función de su temperatura. Cuando un gas se calienta a VOLUMEN CONSTANTE, todo el calor que absorbe se invierte en aumentar su energía y por ende su temperatura. Cuando un gas se calienta a PRESION CONSTANTE se expande y hace trabajo, por lo que sólo parte del calor absorbido se invierte en aumentar la energía interna. Se necesita más calor por mol si el proceso es a presión constante que si es a volumen constante. GASES IDEALES

Monoatómicos Cv= 3/2 R

Diatómicos Cv= 5/2 R

Cp=5/2 R

Cp= 7/2 R

Isobárica

ΔU= ƞ.Cv. ΔT

Anti horario: negativo Sentido horario: positivo En un ciclo

ΔU ciclo=0

Q ciclo= L

SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA Trata de que algunos procesos suceden espontáneamente de una forma. Esto indica que en el proceso inicial se produjo una modificación definitiva del universo que ya no puede volver atrás. Espontaneo: sin intervención del universo ajeno al sistema. Entropía: S

ΔS= Q/T

ΔS universo= ΔS sistema + ΔS entorno ≥0

Sólo son posibles en la naturaleza los procesos en los cuáles la entropía del universo aumenta. Cualesquiera que sean los datos iniciales, si el gas se expande contra el vacío, la entropía del universo aumentará indicando la irreversibilidad del proceso. Si imagináramos un proceso espontaneo (sin interacción con el medio exterior) por el cual el gas volverá a ocupar solo el primer recipiente y calculáramos la variación de entropía del universo para esa situación, obtendríamos el mismo valor calculado pero con signo negativo lo que índice que ese proceso no es posible. ISOTERMICA

ΔS= ƞ .R.ln(Vf/Vi)= n.R.ln (Pi/Pf)

Ti=Tf

ISOCORA

ΔS gas= ƞ.Cv.ln(Tf/Ti)

ΔS gas= n.R.ln(Vf/Vi) + n.Cv.ln(Tf/Ti)

Maquina frigorífica En los procesos estacionarios (que no sean de equilibrio) aumenta la entropía del universo porque se trata de procesos irreversibles. Como el estado del sistema no cambia al transcurrir el tiempo, la entropía del sistema se mantiene constante, pero la del medio exterior aumenta.

Ƞ= Qf/L ≤ Tf/Tc-Tf...