En el siguiente tema se hablara de la termodinámica, sus definiciones, aplicaciones, identificaremos las leyes de la termodinámica la capacidad calorífica y las escalas de temperatura, esto con el fin de entender mas el fenómeno de la temperatura, saber identificar la forma de medir la temperatura ya sea en Celsius, Fahrenheit, o kelvin.Cuando tocamos un cuerpo lo podemos sentir caliente o frió según la temperatura que tenga, así como la capacidad para conducir calor. Nuestro organismo no detecta la temperatura, sino perdidas o ganancias de calor. Si sentimos que un cuerpo esta muy frió es por que nuestro organismo le esta transmitiendo mucho calor.Temperatura es una magnitud física que indica que tan caliente o fría esta una sustancia y se mide con un termómetro. Al suministrar le calor a una sustancia, no solo se eleva la temperatura, también se producen alteraciones en varias de sus propiedades físicas. Por tanto, al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia y si se trata de un gas, su presión varia.
Para comprender esta ley, observemos la figura 11.22
Esta ley nos explica que cuando un sistema se pone en contacto con otros, al transcurrir el tiempo, la temperatura sera la misma, porque se encontraran en equilibrio térmico.Otra forma de expresar la Ley Cero de la Termodinámica es la siguiente:
La temperatura es una propiedad que posee cualquier sistema termodinámico y existirá equilibrio térmico entre dos sistemas cualesquiera, si su temperatura es la misma.
Primera ley de la Termodinámica
Con el descubrimiento hecho por Joule acerca del equivalente mecánico del calor se demostró que la energía mecánica se convierte en energía térmica, cuando por fricción aumenta la energía interna de un cuerpo, y que la energía térmica se puede convertir en energía mecánica sin un gas encerrado en un cilindro se expande y mueve un embolo, con esto, ha sido posible establecer claramente la ley de la conservación de la energía.
Esta ley, aplicada al calor, da como resultado el enunciado de la Primera Ley de la Termodinámica que dice: la variación en la energía interna de un sistema es igual a la energía transferida a los alrededores o por ellos en forma de calor y de trabajo, por lo que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
Matemáticamente la Primera Ley de la Termodinámica se expresa como:
dU = Q-W
donde: dU= variación de la energía interna del sistema expresada en calorías(cal) o Joules(J)
Q= calor que entra o sale de l sistema medido en calorias(cal) o Joules(J)
W= trabajo efectuado por el sistema o trabajo realizado sobre este expresado en calorias(cal) o joules(J)
El valor de Q es positivo cuando entra calor al sistema y negativo si sale de el. El valor de W es posible si el sistema realiza trabajo y negativo si se efectúa trabajo de los alrededores sobre el sistema. Así pues, si un sistema acepta cierta cantidad de calor Q y realiza un trabajo W sobre alrededores, el cambio en su energía interna sera igual a: Q-W = dU.
En la figura 11.24 vemos un sistema formado por un gas dentro de un cilindro que contiene un embolo. Al suministrarle calor al cilindro, la energía interna del sistema aumenta, pero si el gas ejerce una fuerzan suficiente sobre el embolo y lo desplaza se habrá realizado un trabajo del sistema sobre los alrededores. Por tanto, la variación de la energía interna del sistema sera igual al calor que haya absorbido, menos el trabajo realizado en la expansión del gas.
Al suministrar calor a un sistema formado por un gas encerrado en un cilindro hermético, el volumen permanece constante(proceso isocórico), y al no realizar ningún trabajo todo el calor suministrado al sistema aumentara su energía interna:
dU= Uf-Ui=Q
Segunda Ley de la Termodinámica
La energía calorífica no fluye en forma espontanea de un sistema frió a otro caliente. Solo cuando se tienen dos sistemas con diferentes temperaturas se puede utilizar la energía calorifica para producir trabajo. El calor fluye espontáneamente del sistema caliente al frió hasta que se igualan las temperaturas. Durante este proceso, parte del calor se transforma en energía mecánica a fin de efectuar un trabajo, pero no todo el calor puede ser convertido en trabajo mecánico.
La primera Ley de la Termodinámica, como ya señalamos, estudia la transformación de la energía mecánica en calorífica y la del calor en trabajo, sin imponer ninguna restricción en estos cambios.Sin embargo, la Segunda Ley de la Termodinámica señala restricciones al decir que existe un limite en la cantidad de trabajo, el cual es posible obtener a partir de un sistema caliente.
Existen dos enunciados que definen la Segunda Ley de la Termodinámica, uno del físico alemán Rudolph J. E.Celsius: el calor no puede por si mismo, sin la intervención de un agente externo, pasar de un cuerpo frió a un cuerpo caliente. Y otro del físico ingles William Thompson Kelvin: es imposible construir una maquina térmica que transforme en trabajo todo el calor que se le suministra.
Conclusiones de las leyes primera y segunda de la termodinámica
Las leyes de la termodinámica son verdades universales, establecidas después de haberse realizado numerosos experimentos tanto cualitativos como cuantitativos. La primera ley, conocida como Ley de la Conservación de la Energía, afirma que la energía existente en el Universo es una cantidad constante. Esta ley se confirma cuando Albert Einstein nos demuestra le relación entre materia y energía. La segunda ley tiene aplicaciones importantes en el diseño de maquinas térmicas empleadas en la transformación de calor en trabajo. También es útil para interpretar el origen del Universo, pues explica los cambios energéticos que ha tenido y tendrá en un futuro. Predice que dentro de billones de años se producirá la llamada muerte térmica del Universo, la cual ocurrirá cuando toda la energía del Universo se reduzca a la de las moléculas en movimiento y toda la materia tenga la misma temperatura. Al no existir diferencias de temperatura, tampoco se producirá intercambio de calor entre los cuerpos y los seres vivos se extinguirán.
Entropía y Tercera Ley de Termodinámica
La entropía es una magnitud física utilizada por la termodinámica para medir el grado de desorden de la materia. En un sistema determinado, la entropía o estado de desorden dependerá de su energía calorífica y de como se encuentren distribuidas sus moléculas.
Como en el estado solido las moléculas estan muy próximas unas de otras y se encuentran en una distribución bastante ordenada, su entropía es menor si se compara con la del estado liquido , y en este menor que en el estado gaseoso. Cuando un liquido es calentado las moléculas aumentan su movimiento y con ello se desorden, por tanto, al evaporarse se incrementa considerablemente su entropía. En general, la naturaleza tiende a aumentar su entropía es decir, su desorden molecular. Como resultado de sus investigaciones, el físico y químico alemán Walther Nernst estableció otro principio fundamental de la termodinámica llamado Tercera Ley de la Termodinámica, dicho principio de refiere a la entropía de las sustancias cristalinas y puras en el cero absoluto de temperaturas(0 K), y se enuncia de la siguiente manera: la entropía de un solido cristalino puro y perfecto puede tomarse como cero a la temperatura del cero del cero absoluto. Por tanto, un cristal perfectamente ordenado a 0 K tendrá un valor de entropía igual a cero. Cualquier incremento de temperatura, por encima de 0 K, causa una alteración en el arreglo de las moléculas componentes de la red cristalina, aumentando así el valor de la entropía.
Vídeos:
algunos vídeos que explican estas leyes.
Conclucion:
El tema termodinanica es muy abundante de este se derivan muchos aspectos como las diferencias entre calor y temperatura, medidas de temperatura, diferentes escalas, dilatación de los cuerpos, formas de propagación calor especifico, etc, también identifique que la temperatura es una magnitud física que indica que tan caliente o fría esta una sustancia y se mide con un termómetro. otra cosa que se me iso interesante es que cuando un cuerpo esta muy caliente quiere decir que su temperatura es alta, por ello, tiene un potencial térmico alto, en consecuencia sera capaz de ceder calor o energía calorifica a otro cuerpo con potencial térmico mas bajo.
Referencias:
física general, Héctor Pérez Montiel, publicaciones cultural, segunda reimpresión, México, 2002.
Apatir de experimentos se ha observado que al suministrar la misma cantidad de calor a dos sustancias diferentes, el aumento de temperatura no es el mismo. Por consiguiente, para conocer el aumento de temperatura que tiene una sustancia cuando recibe calor, emplearemos su capacidad calorífica, la cual se define como la relación existente entre la cantidad de calor dQ que recibe y su correspondiente elevación de temperatura dT.
C= dV/ DT
Como el calor puede estar expresando en calorías, Kcal, joule, erg o Btu; y la temperatura en °C, K, °F; las unidades de la capacidad calorífica pueden ser en cal/°C, kcal/°C, J/°C, j/k, erg/°C, Btu/°F.
En la determinación de la capacidad calorífica de una sustancia debe especificarse si se hace a presión o a volumen constante y se indicara de la siguiente manera: Cp si es a presión constante, Cv si es volumen constante. La capacidad calorífica de una sustancia tiene un valor mayor si se lleva a cabo a presión constante, que si es realizada a volumen constante. Toda vez que al aplicar presión constante a una sustancia, esta sufre un aumento en su volumen, lo que provoca una disminución en su temperatura y, consecuentemente, necesitara mas calor para elevarla. A volumen constante, todo el calor suministrado a la sustancia pasa a aumentar la energía cinética de las moléculas, por tanto, la temperatura se incrementa con mayor facilidad.
Es evidente que mientras mas alto sea el valor de la capacidad calorífica de una sustancia, requiere mayor cantidad de calor para elevar su temperatura.
vídeo que muestra la comprobación de la capacidad calorífica
Diferentes escalas termometricas: grados Celsius, Kelvin y Fahrenheit
El alemán Gabriel Fahrenheit(1686-1736) soplador de vidrio y fabricante de instrumentos, construyo en 1714 el primer termómetro. Para ello, lo coloco a la temperatura mas baja que pudo obtener, mediante una mezcla de hielo y cloruro de amonio, marco el nivel que alcanzaba el mercurio; después, al registrar la temperatura del cuerpo humano volvió a marcar el termómetro y entre ambas señales hizo 96 divisiones iguales. Mas tarde, observo que al colocar su termómetro en una mezcla de hielo en fusión y agua, registraba una lectura de 32°F y al colocarlo en agua hirviendo 212°F.
En 1724 el biólogo sueco Andres Celsius(1701-1744) baso su escala en el punto de fusión del hielo (o°C) y en el punto de ebullición del agua(100°C) a la presión de una atmósfera, o sea, 70 mm de Hg, es decir, dividió su escala en 100 partes iguales cada una de 1°C.
Años después el ingles William Kelvin(1824-1907) propuso una nueva escala de temperatura, en la cual el cero corresponde a lo que tal vez sea la menor temperatura posible llamada cero absoluto, en esta temperatura la energía cinética de las moléculas es cero. El tamaño de un grado de la escala Kelvin es igual al de un grado Celsius y el valor de cero grados en la escala de Celsius equivale a 273k, tal como se muestra en la figura 11.7. Cuando la temperatura se da en kelvin se dice que es absoluta y esta es la escala aceptada por el Sistema Internacional de Unidades (SI).
Existe un limite mínimo de temperatura: 0 K= -273°C= -460°F, pero no hay limite máximo de ella, pues en forma experimental se obtienen en los laboratorios temperaturas de miles de grados, mientras que en una explosión atómica se alcanzan temperaturas de millones de grados. Se supone que la temperatura en el interior del Sol alcanza los mil millones de grados.
Conversión de temperaturas de una escala a otra
Aunque la escala Kelvin es la usada por el SI para medir temperaturas, aun se emplea la escala Celsius o centigrada y la escala Fahrenheit, por tanto, es conveniente manejar sus equivalencias de acuerdo con las siguientes expresiones:
1.Para convertir de grados Celsius a Kelvin:
K= °C + 273
2.Para convertir de Kelvin a grados Celsius:
°C= K - 273
3. Para convertir de grados Celsius a grados Fahrenheit:
°F= 1.8°C + 32
4. Para convertir de grados Fahrenheit a grados Celsius:
Es la rama de la física que se encarga del estudio de la transformación del calor en trabajo y viceversa. Su estudio se inicio en el siglo XVIII y sus principios se fundamentan en fenómenos comprobados experimentalmente.
Sistemas termodinámicos y paredes diatermicas y adiabaticas
Sistema termodinámico:
Es alguna porción de materia que separamos del resto del universo por medio de un limite o frontera con el propósito de poder estudiarlo.
Paredes diatermicas y adiabáticas:
La frontera de un sistema puede estar constituida con paredes diatermicas o con paredes adiabaticas. Una pared diatermica es aquella que permite la interacción térmica del sistema con los alrededores. Una pared adiabatica no permite que exista interacción térmica del sistema con los alrededores.
Al calentar agua en una matraz utilizando una flama, observamos que con el tiempo, el agua entrara en ebullición, pues nuestro sistema(el agua), interacciona térmicamente con los alrededores(la flama y el medio), ya que el matraz hecho de vidrio actúa como pared diatermica. Pero si en lugar de calentar el agua en un matraz lo hacemos en un termo constituido por un recipiente de doble pared y con vació intermedio, observaremos que nos se calentara porque ahora la pared es adiabatica y no permite la interacción térmica entre la flama y el sistema.
Procesos termodinámicosadiabáticos y no adiabáticos
Un proceso térmico es adiabatico si el sistema no cede ni recibe calor, por lo que se realiza a calor constante. Para ello se utiliza fronteras hechas con paredes adiabaticas.
Un proceso térmico es no adiabatico cuando el sistema interacciona térmicamente con los alrededores, el calor fluye a través de las paredes diatermicas que constituyen la frontera y se producen un cambio tanto en los alrededores como en el sistema mismo. Durante los procesos térmicos no adiabáticos un sistema absorbe o cede calor. La cantidad de calor intercambiado en estos depende de la sustancia y del proceso del que se trate.
Equilibrio termodinámico
Cuando un sistema de baja temperatura se pone en contacto por medio de una pared diatermica con otro sistema de mayor temperatura, la temperatura del sistema frió aumenta mientras la temperatura del sistema caliente disminuye. Si se mantiene este contacto por un periodo largo, se establecerá el equilibrio termodinámico, es decir, ambos sistemas tendrán la misma temperatura. Es evidente que si los sistemas están formados por diferentes sustancias o diferentes porciones de ellas, no contienen la misma cantidad de energía interna aun que su temperatura sea igual.
Cuando la temperatura de un cuerpo caliente empieza a descender, las moléculas reducen el numero total e intensidad de sus procesos de movimiento.
Punto triple de una sustancia
Por definición, el punto triple de una sustancia es aquel en el cual sus tres fases(sólidos, líquidos gaseosos) coexisten en equilibrio termodinámico.
Para obtener en forma experimental el punto triple de una sustancia, se debe variar la temperatura y la presión hasta lograr con ciertos valores que la sustancia se encuentre en sus tres fases. Por ejemplo: el punto triple del agua es cuando el hielo, el agua liquida y el vapor de agua, coexisten en equilibrio térmico. La temperatura del punto triple del agua es de 273.16k y la presión es de 6.025 * 10^-3 atmósferas. Si un cuerpo solido que se encuentra a una presión menor a la de su punto triple, es calentado, directamente se gasificara sin pasar por el estado liquido, efectuándose así una sublimación.
Energía interna
La energía interna de un sistema se define como la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas individuales que lo constituyen. Al suministrar calor a un sistema, se provoca un aumento en la energía de agitación de sus moléculas, se produce un incremento en la energía interna del sistema y por consiguiente un aumento en la temperatura. En general, cuando mayor sea la temperatura de un sistema, mayor sera su energía interna. Sin embargo, los valores absolutos de esta en las moléculas no se pueden precisar, motivo por el cual solo se determina la variación que sufre la energía del sistema mediante la expresión:
dU= Uf - Ui
donde: dV= variación de la energía interna expresada en joule(J) Uf= energía interna final medida en joules(J) Ui= energía interna inicial expresada en joules(J)
Equivalente mecánico del calor
En la actualidad a ningún estudiante de física le párese raro escuchar que el calor es una forma de energía y por lo mismo, las unidades para medirlo son las mismas empleadas para medir la energía. sin embargo, fue a fines del siglo XVIII cuando Benjamín Thompson, Conde de Rumford, propuso que el calentamiento causado por la fricción se debía a la conversión de la energía mecánica en termina, con ellos desecho la Teoría del Calorico. El ingles James Prescott Joule, industrial cervecero, continuo los estudios de Thompson y a mediados del siglo XIX comprobó que siempre que se realiza una cierta cantidad de trabajo se produce una cantidad equivalente de calor. Joule estableció el principio llamado equivalente mecánico del calor en el cual se demuestra que por cada Joule de trabajo se producen 0.24 calorías y que cuando una caloría de energía térmica se convierte en trabajo se obtienen 4.2 joules. Por tanto: 1 cal = 4.2 J 1J = 0.24 cal
Aun que la caloría y el Btu son unidades de calor creadas antes de aceptar que el calor es energía aun se utilizan amplia mente, pues son precisas y resultan practicas al resolver problemas. Por ello, no debemos olvidar que tanto el joule como la caloría son unidades empleadas para medir la energía calorífica y que de acuerdo con el equivalente mecánico del calor podemos transformar una unidad en otra.
Trabajo termodinámico
El cilindro de la figura 11.23 contiene un gas encerrado por un pistón o embolo. Para comprimir el gas se debe aplicar una fuerza al embolo, el cual al recorrer una cierta distancia disminuirá el volumen del gas, realizando un trabajo de compresión. El valor del trabajo efectuado puede calcularse de acuerdo con la siguiente deducción.
T= Fd.......................(1) como p= F/A
F= PA.......................(2) sustituyendo 2 en :
T=PAd......................(3) como Ad es el volumen al que se ha comprimido el gas, tenemos: Ad=dV = Vf - Vi......................(4)
sustituyendo 4 en 3:
T= P(Vf-Vi)..........................(5) donde T= trabajo realizado en joules a una presión constante del gas(proceso isobárico)
P= presión constante del gas en N/m^2
Vf-Vi= variación de volumen en el gas en metros cúbicos(m3)
Al efectuarse un trabajo de compresión, este se transforma íntegramente en calor del sistema, porque comunica al gas una energía adicional que aumenta la energía interna de sus moléculas elevando la temperatura. En la compresión de un gas, el volumen final es menor al inicial, por tanto, el trabajo realizado es negativo y se dice que se efectuó un trabajo de los alrededores sobre el sistema.
En un trabajo de expansión producido gracias a la energía interna de las moléculas del gas, la temperatura del sistema disminuye. Al expenderse un gas el volumen final es mayo al inicial y, por tanto, el trabajo es positivo, entonces el sistema realiza un trabajo sobre los alrededores.
Cuando en un proceso el volumen del sistema permanece constante(proceso isocórico), no se realiza ningún trabajo por el sistema no sobre este, ya que dv=0 y, por tanto:
T= P(Vf-Vi)= T = PdV = 0
En la parte de etiquetas viene el link de un vídeo que explica la termodinanica, si no lo encuentran también lo dejare aquí:
La sensación de calor o de frió esta estrechamente relacionada con nuestra vida cotidiana, sin embargo, el calor es lago mas que eso. en el siglo XVIII los físicos lo consideraban como un fluido invisible sin sabor, olor ni peso; lo llamaban calo rico y de el solo conosian sus efectos: cuanto mas caliente estaba un cuerpo, mas fluido o calo rico tenia. cuando el calo rico fluia en una sustancia, esta se expandía debido a que ocupaba un lugar en el espacio, y cuando el calo rico salia la sustancia se enfriaba y se contraía. finalmente, consideraron que el calo rico no podía se creado ni destruido, razón por la cual no era posible formarlo a partir de alguna cosa ni podía ser sustituido por otra.
A fines del siglo XVIII Benjamín Thompson descubrió, al barrenar un cañón, que la fricción produce calor. Mas adelante, Joule demostró que cuando se proporciona energía, ya sea por fricción corriente eléctrica, radiaccion o cualquier otro medio, para producir trabajo mecánico, este puede ser transformado en una cantidad equivalente se calor. Con estas investigaciones se desecho la Teoría del Calo rico para explicar que era el calor. Actualmente , se interpreta el calor como una energía en transito que fluye de cuerpos a mayor temperatura a los de menor temperatura.
