Termofisica - Apuntes 3 PDF

Preview

Summary

Leyes termofisica...

Description

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL TERMODINÁMICA CURSO

:

FÍSICA

Definición: Estudia fenómenos relacionados con el calor, específicamente la termodinámica se ocupa de propiedades macroscópicas (grandes en oposición a las microscópicas que son pequeñas), así como la trasformación de la energía de un cuerpo a otro. Estudia el intercambio de energía térmica entre sistemas mecánicos y químicos. Principio cero de la termodinámica

Este principio o ley cero, establece que existe una determinada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo como un dado. Es decir “Si pones en contacto un objeto frío con otro caliente, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan”. El calor (representado con la letra Q) es la energía transferida de un sistema a otro (o de un sistema a sus alrededores) debido en general a una diferencia de temperatura entre ellos. El calor que absorbe o cede un sistema termodinámico depende normalmente del tipo de transformación que ha experimentado dicho sistema. Dos o más cuerpos en contacto que se encuentran a distinta temperatura alcanzan, pasado un tiempo, el equilibrio térmico (misma temperatura). Este hecho

se conoce como Principio Cero de la Termodinámica, y se ilustra en la siguiente figura.

Un aspecto del calor que conviene resaltar es que los cuerpos no almacenan calor sino energía interna. El calor es por tanto la transferencia de parte de dicha energía interna de un sistema a otro, con la condición de que ambos estén a diferente temperatura. Sus unidades en el Sistema Internacional son los julios (J) La expresión que relaciona la cantidad de calor que intercambia una masa m de una cierta sustancia con la variación de temperatura Δt que experimenta es:

Donde c es el calor específico de la sustancia. Al considerar el calor como una manifestación más de energía, ha de admitirse la posibilidad de mutua transformación entre trabajo y calor.

La Termodinámica estudia los procesos de transformación de trabajo en calor y viceversa, estableciendo las equivalencias y condiciones en que se genera a partir de energía térmica. TRABAJO El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra y se expresa en unidades de energía , el trabajo que realiza una fuerza sobre un cuerpo equivale a la energía necesaria para desplazar este cuerpo . Matemáticamente se expresa como:

Donde ( ) es el módulo de la fuerza ( ) es el desplazamiento y( )es el ángulo que forman entre sí el vector fuerza y el vector desplazamiento. Energía Interna La energía interna es la energía total asociada a los componentes microscópicos de un sistema, vista desde un referencial solidario al centro de masas del mismo Más concretamente, es la suma de la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de la energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades. La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo.

Primera ley de la termodinámica: La Termodinámica en su primer principio aporta a la ley de la conservación dos nuevas formas de energía: el calor y la energía interna. Establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Es decir “La energía no se crea ni se destruye: solo se transforma”. La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:

Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema. El calor contenido en un sistema termodinámico es llamado Entalpía.

Transformaciones de un Sistema Termodinámico

Ejemplos de aplicaciones de la P.L.T en la Ingeniería Industrial:

1. Un trozo de material de masa m que tiene una temperatura inicial Tim, se sumerge en un envase que contiene una masa M de agua a la temperatura inicial TiA v1 V1

V2

Datos V1 = 2.1 m3 P1 = p2 = 2 k PA Q = 7800J

v2 = 80% = 0.8 v1

W = p (v2 – v1) W = 2000 pa (0.8v1 –v1) W = 2000 pa (0.8 x v1) W = 2000pa (0.8 x 2.1 m3) W = 3360 pa m3 W = 3360 J ΔV = Q – W ΔV = 7800J-3360J ΔV = 4440 J 4 ) Una bala de plomo de 2 g de masa disparada con una rapidez de300 m/s, se incrusta en un poste de madera. Suponiendo que toda la energía térmica generada durante el impacto permanece en la bala, calcular su cambio de temperatura. Solución: los datos son m = 2 g, v = 300 m/s. La energía cinética de la bala es: EC= 1mv2 = 1 (0.002 )(300 m/s )2 = 90J 2 2 Toda esta energía cinética se transforma en calor en la bala Plomo c = 128 J/kgºC, entonces Q= mc ΔT⇒ΔT Q= mc

Q 90 J (0.002 )(128 / º )

= 351.6 °C...