Principios de la TermodinámicaDíaz Lovón Charlie Patrick

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RESUMEN: La termodinámica (del griego termo, que significa «calor» y dínamis, que significa «fuerza») es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes, tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden tratarse por medio de la termodinámica.

PALABRAS CLAVE: Termodinámica, capacidad térmica, cambio de fase, calor latente, Transferencia de energía térmica.

1 INTRODUCCIÓN

Termodinámica, campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como sus intercambios energéticos. Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería.Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico se puede describir mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables de estado. Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables termodinámicas (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de dilatación), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Todas estas variables se pueden clasificar en dos grandes grupos: las variables extensivas, que dependen de la cantidad de materia del sistema, y las variables intensivas, independientes de la cantidad de materia.

Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos.

2 CAPACIDAD TERMICA

2.1 Definición

La capacidad térmica de un material es una medida de cuánta energía se debe intercambiar entre un objeto y su entorno para producir un cambio en la temperatura. En otras palabras, es una medida de la capacidad de un objeto para mantener el calor. Los materiales con alta capacidad térmica, como el agua, requieren grandes cantidades de energía para producir un pequeño cambio de temperatura.

2.2 Tipos de capacidad térmica

El término general de "capacidad térmica" incluye tres términos más específicos, que a menudo se confunden. Estos son la capacidad calorífica molar, el calor específico y capacidad de calor.

2.2.1 Capacidad molar calorífica y calor específicoEl calor molar específico de una sustancia es la cantidad de energía necesaria para elevar un mol en 1 grado Celsius. Un mol especifica una serie de objetos, como lo hace una docena, excepto que un mol es igual a 6,02 x 10 ^ 23 objetos en lugar de 12. Debido a la forma en que se define a un mol, un mol de una sustancia es igual a la masa atómica o molecular de una sustancia en gramos. El término general de "calor específico" por lo general se refiere a la cantidad de energía necesaria para elevar cierta masa, por lo general un kilogramo, a 1 grado Celsius. Este probablemente es el uso más común del término "capacidad térmica". Tanto la capacidad molar calorífica y el calor específico son propiedades intrínsecas de una sustancia, es decir, son independientes a la cantidad de material que tengas en la mano.

2.2.2 Capacidad térmicaLa capacidad térmica de un objeto, C, es el producto de su capacidad de calor específica (la cantidad de calor necesaria para eleva a 1° C un kg de cierta sustancia) y su masa en kg. La capacidad térmica es una propiedad extensa de una sustancia. Es decir, su valor depende de la cantidad de sustancia que tengas. Por ejemplo, la capacidad térmica de 20 onzas (567 g) de sodio es exactamente el doble que en 10 onzas (283 g) de sodio.Los metales tienden a tener capacidades térmicas muy bajas en comparación con las sustancias no metálicas. Por ejemplo, 1 kg de cobre tiene una capacidad calorífica de 394 joules por grados centígrados, mientras que 1 kg de mármol tiene una capacidad térmica de 880. Por lo tanto, la piedra puede guardar mucho más calor que el metal. La definición de una caloría se basa en la capacidad térmica del agua.

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3 CAMBIO DE FASE

Es la transformación física que experimenta una sustancia saturada pura al recibir o entregar cierta cantidad de calor. Durante el cambio de fase la sustancia experimenta un reordenamiento molecular, adoptando nuevas propiedades físicas y perdiendo otras. En general la sustancia puede encontrarse en tres fases, Sólido, líquido y gaseoso.

Imagen 1. Cambios de estado

Punto tripleSe denomina así, al valor que adoptan la temperatura y presión de saturación, en la que la sustancia se halla en las tres fases (Sólido, líquido y gas), esto es en que las tres fases coexisten simultáneamente.

Imagen 2. Punto triple

Por ejemplo para el agua, los valores de la temperatura y presion, en el puntor triple se da cuando, la temperatura T =0.01ºC y P=611.3 Pa.

Equivalente mecánico de calorEs el factor de conversión que permite transformar la energia termica (caloría) en enrgia mecánica (Joule) así, tenemos que:1 cal = 4.186 Jouls (1cal= 4.186J ) ó 1 J = 0.239 cal

4 CALOR LATENTE

Calor latente, relativo a un cambio de estado, es la energía térmica necesaria para que un kilogramo de una sustancia cambie de un estado de agregación a otro, suponiendo este cambio realizado de manera reversible a temperatura y a presión constantes. Se expresa en J·kg-1. El concepto de calor latente fue introducido hacia 1761 por el químico británico Joseph Black.

Cuando una transferencia de energía térmica tiene lugar en un cuerpo, generalmente se modifica su temperatura. Sin embargo, la energía térmica también puede dar lugar a un cambio de fase sin que exista variación de la temperatura del cuerpo. Un cambio de fase, por ejemplo de líquido a gas, requiere que se realice un trabajo en contra de las fuerzas de atracción que existen entre las moléculas del cuerpo, es decir, hace falta que se suministre una cierta cantidad de energía a las moléculas para separarlas, aún cuando no se modifique la energía cinética de las mismas y, por tanto, la temperatura.

En el caso de sustancias puras se requiere una cantidad de energía térmica determinada para cambiar la fase de una sustancia dada. Esta energía térmica Q es proporcional a la masa m de la sustancia: Q = m·Ldonde L es el calor latente de cambio de estado y es una constante característica de la sustancia y del cambio de fase que se trate.

5 TRANSFERENCIA DE ENRGIA TERMICA

Existen tres formas de transmisión de energía térmica de un lugar a otro: conducción, convección y radiación:

5.1 ConducciónEn la conducción, la energía se transmite en forma de calor como consecuencia de las interacciones entre átomos o moléculas, aunque no exista transporte de los mismos. Por ejemplo, si se calienta uno de los extremos de una barra sólida, los átomos de la red cristalina del extremo calentado vibran con mayor energía que los del extremo frio y debido a la interacción de estos átomos con sus átomos vecinos, esta energía se transporta a lo largo de la superficie.Sea ∆T la diferencia de temperatura entre los extremos de un pequeño segmento de longitud ∆x.Sea Q la cantidad de calor que se transmite por conducción a lo largo de dicha longitud en un cierto intervalo ∆t.La tasa de conducción de calor Q/∆t, se denominará corriente térmica I.Experimentalmente se encuentra que la corriente térmica es directamente proporcional al gradiente de temperatura y al área de una sección recta A:

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K es la constante de proporcionalidad llamada coeficiente de conductividad térmica o simplemente conductividad térmica y depende únicamente de la composición del material. En unidades del SI, la corriente térmica se expresa en Vatios (W) y la conductividad térmica tiene unidades de W/(m*k)².

Donde R es la resistencia térmica:

5.2 ConvecciónLa convección es el transporte de energía térmica que se verifica simultáneamente con el transporte del propio medio.La convección surge cuando un fluido se calienta por la parte posterior. El fluido al calentarse se expande elevándose mientras que el fluido más frio se hunde (pasa a la parte posterior).Aproximadamente, el calor transmitido por convección desde un cuerpo a sus alrededores es proporcional al área del cuerpo y a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el fluido en el que se encuentre inmerso.La descripción matemática de la convección es muy compleja, ya que el flujo depende de la diferencia de temperatura existente en las diferentes partes del fluido y esta diferencia de temperatura viene afectada por el propio flujo.Es el responsable de las grandes corrientes oceánicas, así como de la circulación global de la atmosfera.

5.3 RadiaciónEn la radiación la energía térmica se transporta a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas que se mueven a la velocidad de la luz.La radiación térmica, las ondas luminosas, las ondas de radio, las ondas de televisión y los rayos X son todas ellas formas de radiación electromagnética y difieren entre si únicamente por sus longitudes de onda o frecuencias.Según la ley del enfriamiento de Newton: “En todos los mecanismos de transmisión de calor, la velocidad de enfriamiento de un cuerpo es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura que existe entre el cuerpo y el medio que lo rodea”. Todos los cuerpos emiten y absorben radiación electromagnética. Los cuerpos se encuentran en equilibro con el medio que les rodea en el momento en el que emite y absorbe energía al mismo ritmo.La energía térmica irradiada por un cuerpo por unidad de tiempo, es proporcional al área del cuerpo y a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Este resultado, obtenido empíricamente por Josef Stefan en

1879 y deducido teóricamente por Ludwig Boltzmann unos cinco años más tarde, recibe el nombre de la ley de Stefan-Boltzmann:

Donde P es la Potencia radiada en vatios,  A es el área, e es la emisividad del cuerpo y σ una constante universal que recibe el nombre de constante de Stefan-Boltzmann cuyo valor es:

La emisividad e es una fracción que varía entre 0 y 1 y que depende de la superficie del objeto.Cuando la radiación incide sobre un objeto opaco, parte de la energía en forma de radiación se refleja y parte de ella se absorbe, los objetos más claros reflejan la mayor parte de la radiación visible, mientras que los cuerpos oscuros absorben la mayor parte de radiación.Se denomina cuerpo negro a aquel que es capaz de absorber toda la radiación que incide sobre él, es decir que la emisividad e=1, este concepto es más bien ideal ya que no existe ningún elemento con e=1 pero si muy cercanos, como el terciopelo negro. También se pueden dar situaciones en las que se actúe como cuerpo negro, como lo son las cavidades, por ejemplo de una cerradura, donde la radiación incidente pocas veces va a ser reflejada ya que rebotara en la cavidad y será absorbida, para este tipo de situaciones podemos considerar que e=1.Una ley de carácter interesante es la ley del desplazamiento de Wien que nos dice que la longitud de onda para la cual la potencia es un máximo, varia inversamente con la temperatura:

Esta ley se utiliza para determinar las temperaturas de las estrellas a partir de los análisis de su radiación. También se utiliza para representar variaciones de temperatura en diferentes regiones de la superficie de un objeto, lo que constituye una termografía.

6 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

La primera ley de la termodinámica da una definición precisa del calor, otro concepto de uso corriente.Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos.

El primer principio de la termodinámica identifica el calórico, o calor, como una forma de energía. Se puede convertir en trabajo mecánico y almacenarse, pero no es una sustancia material. Experimentalmente se demostró que el calor, que originalmente se medía en unidades llamadas calorías, y el trabajo o energía, medidos en julios, eran completamente equivalentes. Una caloría equivale a 4,186 julios.

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El primer principio es una ley de conservación de la energía. Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse —dejando a un lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia entre masa y energía — la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí.En cualquier máquina, hace falta cierta cantidad de energía para producir trabajo; es imposible que una máquina realice trabajo sin necesidad de energía. Una máquina hipotética de estas características se denomina móvil perpetuo de primera especie. La ley de conservación de la energía descarta que se pueda inventar nunca una máquina así. A veces, el primer principio se enuncia como la imposibilidad de la existencia de un móvil perpetuo de primera especie.

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.Esta última expresión es igual de frecuente encontrarla en la forma ∆U = Q + W. Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia está en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional

7 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

La segunda ley de la termodinámica da una definición precisa de una propiedad llamada entropía. La entropía se puede considerar como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también se puede considerar como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. La segunda ley afirma que la entropía, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. La naturaleza parece pues “preferir” el desorden y el caos. Se puede demostrar que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja a una región de temperatura más alta.

El segundo principio impone una condición adicional a los procesos termodinámicos. No basta con que se conserve la energía y cumplan así el primer principio. Una máquina que realizara trabajo violando el segundo

principio se denomina “móvil perpetuo de segunda especie”, ya que podría obtener energía continuamente de un entorno frío para realizar trabajo en un entorno caliente sin coste alguno. A veces, el segundo principio se formula como una afirmación que descarta la existencia de un móvil perpetuo de segunda especie.

8 TRABAJO Y DIAGRAMA PV

El trabajo es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante una fuerza cuando se produce un desplazamiento. Vamos a particularizar la expresión general del trabajo para un sistema termodinámico concreto: un gas encerrado en un recipiente por un pistón, que puede moverse sin rozamiento.Por efecto de la presión (p) ejercida por el gas, el pistón sufre una fuerza F que lo desplaza desde una posición inicial (A) a una posición final (B), mientras recorre una distancia dx.

Imagen4. Gas encerrado en un recipiente por un pistón.

En el Sistema Internacional el trabajo se mide en Julios (J). Este trabajo está considerado desde el punto de vista del sistema termodinámico, por tanto:

El trabajo es positivo cuando lo realiza el gas (expansión) y negativo cuando el exterior lo realiza contra el gas (compresión).

El trabajo en un diagrama p-V

Para calcular el trabajo realizado por un gas a partir de la integral anterior es necesario conocer la función que relaciona la presión con el volumen, es decir, p(V), y esta función depende del proceso seguido por el gas.

Si representamos en un diagrama p-V los estados inicial (A) y final (B), el trabajo es el área encerrada bajo la curva que representa la transformación experimentada por el gas para ir desde el estado inicial al final. Como se observa en la figura, el trabajo depende de cómo es dicha transformación.

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Imagen 5. Diagrama p-V.

Es decir, se puede concluir que:

El trabajo intercambiado por un gas depende de la transformación que realiza para ir desde el estado inicial al estado final.

Cuando un gas experimenta más de una transformación, el trabajo total es la suma del trabajo (con su signo) realizado por el gas en cada una de ellas.Un tipo de transformación particularmente interesante es la que se denominaciclo, en la que el gas, después de sufrir distintas transformaciones, vuelve a su estado inicial (ver figura inferior). El interés de este tipo de transformaciones radica en que todas las máquinas térmicas y refrigeradores funcionan cíclicamente.Cuando un ciclo se recorre en sentido horario (ver parte izquierda de la figura),el trabajo total realizado por el gas en el ciclo es positivo, ya que el trabajo AB (positivo) es mayor en valor absoluto que el BA (negativo), por lo que la suma de ambos será positiva.Por el contrario, si el ciclo se recorre en sentido antihorario el trabajo total es negativo.

Imagen7. Refrigerador: ciclo en sentido anti horario.

Imagen6. Maquina térmica: ciclo en sentido horario.

Los ciclos que representan el funcionamiento de máquinas térmicas se recorren siempre en sentido horario (una máquina da trabajo positivo), mientras que los ciclos que representan el funcionamiento de los refrigeradores son recorridos en sentido anti horario (para que un refrigerador funcione, debemos suministrarle trabajo desde el exterior).

9 BIBLIOGRAFIA

[1] Libro Tipler Mosca, edición 5ª, Volumen 1, Mecánica, Oscilaciones y ondas y TermodinámicaBoltzmann, Ludwig (1986). Escritos de mecánica y termodinámica. Alianza Editorial. ISBN 842060173X.

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[5] Callen, Herbert B. (1985). «Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics». John Wiley & Sons.Reif, Federick (1985). «Fundamentals of Statistical and Thermal Physics». McGraw-Hill.

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http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/conductor2/conductor2.htm19 http://www.esi2.us.es/DFA/CEMI/Teoria/Tema2.pdf

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