PROCESOS TERMODINÁMICOS

M. en C. Nalleli Acosta Topete. M. en C. Nalleli Acosta Topete. Araceli de Jesús Alcaraz SalcedoAraceli de Jesús Alcaraz Salcedo

Principios termodinámicos…Principios termodinámicos…

TERMODINÁMICA: significa potencia significa potencia térmica o potencia obtenida a partir del térmica o potencia obtenida a partir del calor, debido a sus orígenes en el análisis calor, debido a sus orígenes en el análisis de las máquinas de vapor.de las máquinas de vapor.

Actualmente, la termodinámica estudia Actualmente, la termodinámica estudia cómo un tipo de energía puede cómo un tipo de energía puede transformase en otro.transformase en otro.

Presión:Presión: la presión de un fluido sobre una la presión de un fluido sobre una superficie se define como la fuerza normal ejercida superficie se define como la fuerza normal ejercida por el fluido por unidad de área de la superficie.por el fluido por unidad de área de la superficie.

Área. A

Fuerza. F

presión. P

donde

AF

P

MagnitudMagnitud Unidad SIUnidad SI Factor de ConversiónFactor de Conversión

PresiónPresión Pascal (Pa)Pascal (Pa)

1kPa = 1000 Pa1kPa = 1000 Pa

1 atm = 101.325 kPa1 atm = 101.325 kPa

1 bar = 1*101 bar = 1*1055 Pa Pa

1 mmHg = 133.322 Pa1 mmHg = 133.322 Pa

1 torr = 133.322 Pa1 torr = 133.322 Pa

1 atm = 760 mmHg1 atm = 760 mmHg

1 atm = 760 torr1 atm = 760 torr

1 N/m1 N/m22 = 9.869*10 = 9.869*10-6-6 atm atm

TEMPERATURAEl método más común para medir la temperatura es con un El método más común para medir la temperatura es con un

termómetro ordinario donde un líquido se expande cuando es termómetro ordinario donde un líquido se expande cuando es calentado. De esta forma, un tubo uniforme, parcialmente lleno calentado. De esta forma, un tubo uniforme, parcialmente lleno de mercurio, alcohol, o algún otro fluido, puede indicar el grado de mercurio, alcohol, o algún otro fluido, puede indicar el grado de “calentamiento” simplemente por la altura de la columna de de “calentamiento” simplemente por la altura de la columna de la columna de fluido.la columna de fluido.

100 °C

0 °C

- 273 °C

Celsius

373 K

273 K

0 K

212 °F

32 °F

- 460 °F

672 R

492 R

0 R

Kelvin Fahrenheit Rankine

Punto de ebullición

Punto de congelación

Cero Absoluto

Continuación…

Escalas de temperatura:Escalas de temperatura:

460FtRT

273CtKT

32Ct59

Ft

32Ft95

Ct

)(

)(

t°C = temperatura en grados Centígrados.

t°F = temperatura en grados Fahrenheit.

T(K) = temperatura en Kelvin.

T(R) = temperatura en Rankine.

SISTEMA TERMODINÁMICO

Un Un sistema termodinámicosistema termodinámico es un es un sistema que puede interactuar e sistema que puede interactuar e intercambiar energía con su entorno, por lo intercambiar energía con su entorno, por lo menos de dos formas, una de las cuales es menos de dos formas, una de las cuales es la transferencia de calor.la transferencia de calor.

Estado de Equilibrio

En un sistema termodinámico, el equilibrio En un sistema termodinámico, el equilibrio es aquél que se encuentra en condiciones es aquél que se encuentra en condiciones tales que no presenta ninguna tendencia tales que no presenta ninguna tendencia para que ocurra un cambio en su estado.para que ocurra un cambio en su estado.

““Un sistema está en equilibrio cuando todas Un sistema está en equilibrio cuando todas las fuerzas que actúan en él están las fuerzas que actúan en él están

exactamente balanceadasexactamente balanceadas””

Termodinámica del Agua

Empezando con las máquinas térmicas del 150 a. Empezando con las máquinas térmicas del 150 a. C., la bomba de achique de Savery de 1690, hasta las C., la bomba de achique de Savery de 1690, hasta las centrales nucleares actuales y las centrales de fusión centrales nucleares actuales y las centrales de fusión del futuro, La mayor parte de la energía eléctrica del futuro, La mayor parte de la energía eléctrica mundial se genera por turbinas de vapor de agua.mundial se genera por turbinas de vapor de agua.

También se usa el vapor de agua como reactivo También se usa el vapor de agua como reactivo químico en la industria metalúrgica y petroquímica. químico en la industria metalúrgica y petroquímica. Podría decirse que los desarrollos más importantes Podría decirse que los desarrollos más importantes han sido los de la Termodinámica del vapor. han sido los de la Termodinámica del vapor.

Al encender el fuego se calentaba el aire bajo el altar, que empujaba el agua del depósito esférico hacia el cubo cilíndrico, que caía por su peso haciendo girar las bisagras de las puertas del templo.

Actualmente la termodinámica del Actualmente la termodinámica del agua puede servir, entre otras agua puede servir, entre otras muchas cosas, para comprender muchas cosas, para comprender mejor el desarrollo sostenible de este mejor el desarrollo sostenible de este planeta y así poder actuar planeta y así poder actuar consecuentemente.consecuentemente.

Por una parte, tal vez el futuro de Por una parte, tal vez el futuro de la industria energética se base en la la industria energética se base en la electroquímica del agua, en lugar de electroquímica del agua, en lugar de en los combustibles fósiles, en los combustibles fósiles, perecederos, tóxicos, cancerígenos y perecederos, tóxicos, cancerígenos y de efecto invernadero.de efecto invernadero.

Por otra parte, vista desde el Por otra parte, vista desde el espacio exterior, la Tierra aparece espacio exterior, la Tierra aparece como un círculo cubierto a mitad de como un círculo cubierto a mitad de nubes blanquecinas (de agua), con la nubes blanquecinas (de agua), con la otra mitad de fondo de agua azulada, otra mitad de fondo de agua azulada, siendo difícil reconocer algún siendo difícil reconocer algún continente; es la interacción térmica continente; es la interacción térmica del agua y la radiación lo que hace del agua y la radiación lo que hace habitable este planeta.habitable este planeta.

El El ciclo del aguaciclo del agua o o ciclo hidrológicociclo hidrológico, es mantenido por la energía , es mantenido por la energía radiante del sol y por la fuerza de la gravedad.radiante del sol y por la fuerza de la gravedad.

El ciclo hidrológico comienza con la El ciclo hidrológico comienza con la evaporaciónevaporación del agua desde la del agua desde la superficie del océano. A medida que se eleva, el aire humedecido se superficie del océano. A medida que se eleva, el aire humedecido se enfría y el vapor se transforma en agua: es la enfría y el vapor se transforma en agua: es la condensacióncondensación. Las gotas . Las gotas se juntan y forman una nube. Luego, caen por su propio peso: es la se juntan y forman una nube. Luego, caen por su propio peso: es la precipitaciónprecipitación. Si en la atmósfera hace mucho frío, el agua cae como . Si en la atmósfera hace mucho frío, el agua cae como nieve o granizo. Si es más cálida, caerán gotas de lluvia.nieve o granizo. Si es más cálida, caerán gotas de lluvia.

Una parte del agua que llega a la tierra será aprovechada por los seres Una parte del agua que llega a la tierra será aprovechada por los seres vivos; otra escurrirá por el terreno hasta llegar a un río, un lago o el vivos; otra escurrirá por el terreno hasta llegar a un río, un lago o el océano. A este fenómeno se le conoce como océano. A este fenómeno se le conoce como escorrentíaescorrentía. Otro poco del . Otro poco del agua se filtrará a través del suelo, formando capas de agua subterránea. agua se filtrará a través del suelo, formando capas de agua subterránea. Este proceso es la Este proceso es la percolaciónpercolación. Más tarde o más temprano, toda esta . Más tarde o más temprano, toda esta agua volverá nuevamente a la atmósfera, debido principalmente a la agua volverá nuevamente a la atmósfera, debido principalmente a la evaporaciónevaporación..

Al evaporarse, el agua deja atrás todos los Al evaporarse, el agua deja atrás todos los elementos que la contaminan la hacen no apta para elementos que la contaminan la hacen no apta para beber beber (sales minerales, químicos, desechos)(sales minerales, químicos, desechos). Por . Por eso el ciclo del agua nos entrega un elemento puro. eso el ciclo del agua nos entrega un elemento puro. Pero hay otro proceso que también purifica el agua, y Pero hay otro proceso que también purifica el agua, y es parte del ciclo: es parte del ciclo: la transpiración de las plantasla transpiración de las plantas..

Las raíces de las plantas absorben el agua, la Las raíces de las plantas absorben el agua, la cual se desplaza hacia arriba a través de los tallos o cual se desplaza hacia arriba a través de los tallos o troncos, movilizando consigo a los elementos que troncos, movilizando consigo a los elementos que necesita la planta para nutrirse. Al llegar a las hojas y necesita la planta para nutrirse. Al llegar a las hojas y flores, se evapora hacia el aire en forma de vapor de flores, se evapora hacia el aire en forma de vapor de agua. Este fenómeno es la agua. Este fenómeno es la transpiracióntranspiración..

Práctica:Elaboración del Ciclo del Agua.

Material: Material: Frasco de vidrio con tapa LIMPIO Y Frasco de vidrio con tapa LIMPIO Y

AMPLIO.AMPLIO. Piedras pequeñas, arena y tierra.Piedras pequeñas, arena y tierra. Una plantita con RAIZ.Una plantita con RAIZ. Recipiente pequeño (que quepa en el Recipiente pequeño (que quepa en el

frasco junto con la planta).frasco junto con la planta). Agua.Agua.

Poner en el interior del frasco Poner en el interior del frasco una capa de piedras.una capa de piedras.

Sobre ella, colocar una capa de Sobre ella, colocar una capa de arena y, finalmente, una capa arena y, finalmente, una capa de tierra.de tierra.

Entierre cuidadosamente las Entierre cuidadosamente las plantas en un lado del frasco.plantas en un lado del frasco.

En el otro, coloque el recipiente En el otro, coloque el recipiente con agua. con agua.

Procedimiento

Práctica: parte IIElaboración del Ciclo del Agua.

Material: Material: Caja con plantas.Caja con plantas. Bandeja de metal Bandeja de metal Soporte para la bandeja.Soporte para la bandeja. Trozos de hielo.Trozos de hielo. Vaso de precipitado.Vaso de precipitado. Estufa.Estufa.

Procedimiento Ponga sobre una mesa la caja Ponga sobre una mesa la caja

que contiene las plantas.que contiene las plantas. A 35 o 40 cm por encima de esta A 35 o 40 cm por encima de esta

caja, coloque una bandeja de caja, coloque una bandeja de metal sostenida por un soporte.metal sostenida por un soporte.

Sobre ella, ponga los trozos de Sobre ella, ponga los trozos de hielo.hielo.

Llene el vaso con agua y póngala Llene el vaso con agua y póngala a calentar.a calentar.

Cuando el agua esté hirviendo, Cuando el agua esté hirviendo, instálela de modo que el vapor instálela de modo que el vapor emergente llegue a la parte emergente llegue a la parte inferior de la bandeja (mira el inferior de la bandeja (mira el dibujo).dibujo).

Observe ahora qué sucede.Observe ahora qué sucede.

Proceso ReversibleOcurre cuando su sentido puede invertirse Ocurre cuando su sentido puede invertirse en cada punto mediante un cambio en cada punto mediante un cambio infinitesimal en las condiciones externas.infinitesimal en las condiciones externas.

ΔL

Proceso IrreversibleOcurre cuando su sentido NO puede invertirse en Ocurre cuando su sentido NO puede invertirse en cada punto mediante un cambio infinitesimal en cada punto mediante un cambio infinitesimal en las condiciones externas.las condiciones externas.

TransformacionesReversibles e Irreversibles

Una transformación es Una transformación es reversiblereversible si se realiza si se realiza mediante una sucesión de estados de equilibrio del mediante una sucesión de estados de equilibrio del sistema con su entorno y es posible devolver al sistema sistema con su entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino.y su entorno al estado inicial por el mismo camino.

Reversibilidad y equilibrio son, por tanto, equivalentes.Reversibilidad y equilibrio son, por tanto, equivalentes.

Si una transformación no cumple estas condiciones se Si una transformación no cumple estas condiciones se llama irreversible.llama irreversible.

En la realidad, las transformaciones reversibles NO En la realidad, las transformaciones reversibles NO existen.existen.

Sustancia Pura

Son aquellas que tienen una composición química Son aquellas que tienen una composición química homogénea e invariable. Puede existir en mas de una homogénea e invariable. Puede existir en mas de una fase, pero su composición es la misma en todas fase, pero su composición es la misma en todas ellas.ellas.

La materia que tiene una composiciónuniforme y constante se denomina sustancia pura.

← Estructura del agua

Estructura del NaCl →

Propiedades deuna Sustancia Pura

Propiedades físicas: se puede observar o medir Propiedades físicas: se puede observar o medir sin cambiar la composición de la muestra.sin cambiar la composición de la muestra.

volumen. longitud, masa,

presente. sustancia de

cantidad la de dependen

Extensivas

sabor. color, densidad,

presente. sustancia de

cantidad la dentes independie son

Intensivas

físicass Propiedade

Propiedades Coligativas

Propiedades físicas que dependen sólo de la Propiedades físicas que dependen sólo de la cantidad de partículas de soluto que están cantidad de partículas de soluto que están presentes en la solución y no de la naturaleza presentes en la solución y no de la naturaleza o tipo de soluto.o tipo de soluto.

Descenso del Punto de Congelación.

ΔΔTTff, es la diferencia de temperatura entre el punto de , es la diferencia de temperatura entre el punto de congelación de la solución y el punto de congelación de su congelación de la solución y el punto de congelación de su disolvente puro.disolvente puro.

Para soluciones no electrolíticas el valor de la disminución Para soluciones no electrolíticas el valor de la disminución del punto de congelación es directamente proporcional a la del punto de congelación es directamente proporcional a la molalidad de la solución.molalidad de la solución.

ΔTΔTff = K = Kff • m • m

•• m = molalidad de la solución.m = molalidad de la solución.•• ΔTΔTff = descenso del punto de congelación: T - T = descenso del punto de congelación: T - Tff

donde T es el punto de congelación de la solución y Tdonde T es el punto de congelación de la solución y Tff es el punto de congelación del solvente puro.es el punto de congelación del solvente puro.

•• KKf f = es una constante de congelación del solvente.= es una constante de congelación del solvente.

Aplicación

El líquido refrigerante de los motores de los El líquido refrigerante de los motores de los automóviles tiene una base de agua pura a automóviles tiene una base de agua pura a presión atmosférica se congelaría a 0°C dentro presión atmosférica se congelaría a 0°C dentro de las tuberías y no resultaría útil en lugares de las tuberías y no resultaría útil en lugares fríos, por lo que se le agregan ciertas fríos, por lo que se le agregan ciertas sustancias químicas que hacen descender su sustancias químicas que hacen descender su punto de congelación. punto de congelación.

Constantes molales de laConstantes molales de ladisminución del punto de congelacióndisminución del punto de congelación

DisolventeDisolvente Punto de Punto de congelación (°C)congelación (°C)

KKff (°C/m) (°C/m)

AguaAgua 0.00.0 1.861.86

BencenoBenceno 5.55.5 5.125.12

Tetracloruro de Tetracloruro de CarbonoCarbono -23-23 29.829.8

EtanolEtanol -114.1-114.1 1.991.99

CloroformoCloroformo -63.5-63.5 4.684.68

Elevación del Punto de Ebullición

ΔTΔTbb: es la diferencia de temperatura entre el punto de : es la diferencia de temperatura entre el punto de ebullición de una solución y el punto de ebullición de un ebullición de una solución y el punto de ebullición de un disolvente puro.disolvente puro.

Por ejemplo, el agua pura a presión atmosférica hierve a Por ejemplo, el agua pura a presión atmosférica hierve a 100°, pero si se disuelve algo en ella el punto de ebullición 100°, pero si se disuelve algo en ella el punto de ebullición sube algunos grados centígrados.sube algunos grados centígrados.

ΔTΔTbb = K = Kbb • m • m

•• m = molalidad.m = molalidad.

•• ΔTΔTbb = aumento del punto de ebullición = T - T = aumento del punto de ebullición = T - Tbb, donde , donde T es el punto de ebullición de la solución y TT es el punto de ebullición de la solución y Tbb es el es el

punto de ebullición del solvente puro.punto de ebullición del solvente puro.

•• KKbb = es una constante de congelación del solvente. = es una constante de congelación del solvente.

Constantes molales deConstantes molales deelevación del punto de ebulliciónelevación del punto de ebullición

DisolventeDisolvente Punto de Punto de Ebullición (°C)Ebullición (°C)

KKbb (°C/m) (°C/m)

AguaAgua 100.0100.0 0.5120.512

BencenoBenceno 80.180.1 2.532.53

Tetracloruro de Tetracloruro de CarbonoCarbono 76.776.7 5.035.03

EtanolEtanol 78.578.5 1.221.22

CloroformoCloroformo 61.761.7 3.633.63

Reducción de la Presión de VaporReducción de la Presión de Vapor

Presión de Vapor:Presión de Vapor: es la ejercida por el es la ejercida por el vapor sobre un líquido.vapor sobre un líquido.

En un recipiente cerrado a temperatura En un recipiente cerrado a temperatura y presión constante, las partículas de y presión constante, las partículas de disolvente alcanzan un estado de equilibrio disolvente alcanzan un estado de equilibrio dinámico, escapando y regresando al dinámico, escapando y regresando al estado líquido con la misma rapidez.estado líquido con la misma rapidez.

La presión de vapor de un La presión de vapor de un disolvente puro (a) es mayor disolvente puro (a) es mayor que la presión de vapor de que la presión de vapor de una solución que contiene un una solución que contiene un soluto no volátil (b).soluto no volátil (b).

Al agregar un soluto no volátil Al agregar un soluto no volátil a un disolvente, menos a un disolvente, menos partículas del disolvente partículas del disolvente pasan a un estado gaseoso. pasan a un estado gaseoso. Por lo tanto la presión de Por lo tanto la presión de vapor disminuye.vapor disminuye.

Agua

Sacarosa

Ósmosis y Presión Osmótica.Ósmosis y Presión Osmótica.

La La ósmosisósmosis es la tendencia que tienen los solventes a ir desde zonas de es la tendencia que tienen los solventes a ir desde zonas de menor concentración hacia zonas de mayor concentración de partículas a menor concentración hacia zonas de mayor concentración de partículas a través de membranas semipermeables.través de membranas semipermeables.

Considerando la separación de sacarosa de una solución en donde el Considerando la separación de sacarosa de una solución en donde el disolvente fue agua. Durante la ósmosis, las moléculas de agua se mueven disolvente fue agua. Durante la ósmosis, las moléculas de agua se mueven en ambas direcciones a través de la membrana, pero las moléculas de en ambas direcciones a través de la membrana, pero las moléculas de azúcar no pueden cruzarla. Unas y otras entran en contacto con la azúcar no pueden cruzarla. Unas y otras entran en contacto con la membrana por el lado de la solución, pero únicamente las moléculas de membrana por el lado de la solución, pero únicamente las moléculas de agua lo hacen por el lado del disolvente puro. Por lo tanto, más moléculas de agua lo hacen por el lado del disolvente puro. Por lo tanto, más moléculas de agua cruzan la membrana desde el lado del disolvente puro que desde el agua cruzan la membrana desde el lado del disolvente puro que desde el lado de la solución.lado de la solución.

Llegará un momento en que la presión que se alcanza en el lado de la Llegará un momento en que la presión que se alcanza en el lado de la solución es tal, que causará que la cantidad de moléculas de agua que salen solución es tal, que causará que la cantidad de moléculas de agua que salen a través de la membrana del lado de la solución, sea igual a la cantidad que a través de la membrana del lado de la solución, sea igual a la cantidad que entra.entra.

La presión adicional (necesaria para invertir la ósmosis) La presión adicional (necesaria para invertir la ósmosis) ocasionada por las moléculas de agua que se desplazan en la ocasionada por las moléculas de agua que se desplazan en la solución es llamada solución es llamada PRESIÓN OSMÓTICA PRESIÓN OSMÓTICA ππ..

π = nRT / Vπ = nRT / Ven donde:en donde:

π = presión osmóticaπ = presión osmótican = número de moles de partículas en la solución.n = número de moles de partículas en la solución.R = constante universal de los gases, donde R = 8.314472 R = constante universal de los gases, donde R = 8.314472

J/K• mol. J/K• mol.T = temperatura en Kelvin.T = temperatura en Kelvin.V = volumen de la solución.V = volumen de la solución.

Diagrama Presión–Volumen

Los materiales se describen con Los materiales se describen con cantidades físicas como:cantidades físicas como:

• Presión.Presión.• Volumen.Volumen.• Temperatura.Temperatura.• Cantidad de sustancia.Cantidad de sustancia.

Variables de Estado

El Volumen (V) de una sustancia normalmente está El Volumen (V) de una sustancia normalmente está determinado por su presión (p), temperatura (T) y determinado por su presión (p), temperatura (T) y cantidad de sustancia, masa (m) o número de cantidad de sustancia, masa (m) o número de moles (n).moles (n).

En general, no se puede cambiar una de estas En general, no se puede cambiar una de estas variables sin alterar otra.variables sin alterar otra.

V GAS

P

Diagramas de Fases

Se denomina diagrama de fase o diagrama de cambio de estado a Se denomina diagrama de fase o diagrama de cambio de estado a la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia, generalmente en función de la presión y la temperatura.materia, generalmente en función de la presión y la temperatura.

Punto Crítico, PcPunto Crítico, Pc, indica el valor máximo (Pc, Tc) en el que , indica el valor máximo (Pc, Tc) en el que pueden coexistir en equilibrio dos fases. pueden coexistir en equilibrio dos fases.

Representa la temperatura máxima a la cual se puede licuar el gas Representa la temperatura máxima a la cual se puede licuar el gas simplemente aumentando la presión. Fluidos con T y P mayores que Tc simplemente aumentando la presión. Fluidos con T y P mayores que Tc y Pc se denominan fluidos supercríticos.y Pc se denominan fluidos supercríticos.

Punto triple, PtPunto triple, Pt, indica los valores de P y T en los que coexisten , indica los valores de P y T en los que coexisten tres fases, sólido, líquido y gas.tres fases, sólido, líquido y gas.

Este punto, que indica la temperatura mínima a la que el líquido Este punto, que indica la temperatura mínima a la que el líquido puede existir, es característico de cada sustancia, y puede emplearse puede existir, es característico de cada sustancia, y puede emplearse como referencia para calibrar termómetros. como referencia para calibrar termómetros.

Diagrama Presión - Volumen

Isoterma

Diagrama Presión - Temperatura

Gases Ideales

Los Los gases idealesgases ideales son gases hipotéticos, idealizados del son gases hipotéticos, idealizados del comportamiento de los gases reales en condiciones corrientes. Así, los comportamiento de los gases reales en condiciones corrientes. Así, los gases reales manifestarían un comportamiento muy parecido al ideal a gases reales manifestarían un comportamiento muy parecido al ideal a altas temperaturas y bajas presiones. Debido a su estado idílico, altas temperaturas y bajas presiones. Debido a su estado idílico, también se les conoce como gases perfectos.también se les conoce como gases perfectos.

Los gases ideales se encuentran en un estado homogéneo, las Los gases ideales se encuentran en un estado homogéneo, las partículas del gas asumen volúmenes minúsculos, tomando la forma y el partículas del gas asumen volúmenes minúsculos, tomando la forma y el volumen del recipiente que lo contenga.volumen del recipiente que lo contenga.

Sus moléculas se encuentran muy separadas unas de otras, Sus moléculas se encuentran muy separadas unas de otras, suponiendo que se suprimen las fuerzas y colisiones intermoleculares, suponiendo que se suprimen las fuerzas y colisiones intermoleculares, por tanto el gas se puede comprimir o expandir con facilidad.por tanto el gas se puede comprimir o expandir con facilidad.

Empíricamente, se pueden observar una serie de relaciones entre la Empíricamente, se pueden observar una serie de relaciones entre la temperatura T, la presión P y el volumen V de los gases ideales.temperatura T, la presión P y el volumen V de los gases ideales.

La ley de los gases ideales se describe de La ley de los gases ideales se describe de acuerdo a la siguiente fórmula:acuerdo a la siguiente fórmula:

PV = nRTPV = nRT

Donde:Donde:

P = presión del gas.P = presión del gas.V = volumen que ocupa el gas.V = volumen que ocupa el gas.n = moles de gas en el recipiente.n = moles de gas en el recipiente.T = temperatura absoluta.T = temperatura absoluta.R = constante de los gases ideales.R = constante de los gases ideales.

Ley Cero de la Termodinámica

A este principio se le llama "A este principio se le llama "equilibrio equilibrio térmicotérmico".".

““Si dos sistemas A y B están a la misma Si dos sistemas A y B están a la misma temperatura, y B está a la misma temperatura que temperatura, y B está a la misma temperatura que un tercer sistema C, entonces A y C están a la un tercer sistema C, entonces A y C están a la misma temperaturamisma temperatura”.”.

Este concepto fundamental, aun siendo Este concepto fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado hasta ampliamente aceptado, no fue formulado hasta después de haberse enunciado las otras tres después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición 0.leyes. De ahí que recibe la posición 0.

Transformación a presión constante, Isobárica:Transformación a presión constante, Isobárica: ocurre ocurre cuando una masa de un gas se calienta manteniendo cuando una masa de un gas se calienta manteniendo la presión constante.la presión constante.

Transformación a volumen constante, Isocórica:Transformación a volumen constante, Isocórica: ocurre ocurre cuando una masa de un gas se calienta, manteniendo cuando una masa de un gas se calienta, manteniendo constante el volumen.constante el volumen.

Transformación a temperatura constante, Isotérmica:Transformación a temperatura constante, Isotérmica: ocurre cuando una masa de un gas se comprime o ocurre cuando una masa de un gas se comprime o expande, manteniendo constante la temperatura.expande, manteniendo constante la temperatura.

Transformación Adiabática:Transformación Adiabática: es aquella en la que no es aquella en la que no existe ninguna transferencia calorífica del sistema con existe ninguna transferencia calorífica del sistema con el medio exterior.el medio exterior.

12

12vp

12v

12v

12p

12p

VVpW

TTCCmW

UQW

TTnCU

TTmCU

TTnCQ

TTmCQ

:)(ISOBÁRICAconstante presión a ciónTransforma

1

2

1

2

1

211

P

PRTWQ

V

VRTWQ

V

VVP302WQ

WQ

0U

ln

ln

log.

:a)(isotérmicconstante atemperatur a ciónTransforma

12v

12v

TTncQU

TTmcQU

0W

QU

:)(ISOCÓRICAconstante Volumen a ciónTransforma

v

p

122

111

2211

1

1

2

1

2

1

2

1

1

2

12v

12v

2211

1

21

1

211

C

C

VTVT

VPVP

P

P

T

T

V

V

T

T

TTncU

TTmcU

1

VPVPW

P

P1

1

RTW

P

P1

1

VPW

UW

WU

0WU

0Q

1

1

:Adiabática ciónTransforma

CALOR:CALOR: es la energía que se transmite de un es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, en virtud únicamente de una cuerpo a otro, en virtud únicamente de una diferencia de temperatura.diferencia de temperatura.

UNIDADES DE CALOR: Joules y calorías.UNIDADES DE CALOR: Joules y calorías.

1 cal = 4.18 J1 cal = 4.18 J

Transferencia de Calor

Proceso por el que se intercambia Proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.cuerpo que están a distinta temperatura.

El calor se transfiere mediante convección, El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción.radiación o conducción.

Estos tres procesos pueden tener lugar Estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, predominando uno de simultáneamente, predominando uno de ellos.ellos.

Por ejemplo:Por ejemplo:

• El calor se transmite a través de la pared de El calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por una casa fundamentalmente por conducción.conducción.

• El agua de una cacerola situada sobre un El agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran quemador de gas se calienta en gran medida por convección.medida por convección.

• La Tierra recibe calor del Sol casi La Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.exclusivamente por radiación.

Ejemplo de Transmisión de Calor.

Placa solarPlaca solarEl calor llega desde el Sol hasta El calor llega desde el Sol hasta la placa metálica por radiación. El la placa metálica por radiación. El metal de la placa emite radiación metal de la placa emite radiación en el infrarrojo. En el líquido se en el infrarrojo. En el líquido se establecen corrientes convectivas establecen corrientes convectivas que lo mezclan y uniformizan el que lo mezclan y uniformizan el calor.calor.

El agua caliente sube y la fría El agua caliente sube y la fría baja. El agua más caliente sube baja. El agua más caliente sube al depósito superior y de la parte al depósito superior y de la parte inferior de este depósito baja el inferior de este depósito baja el agua más fría que entra por la agua más fría que entra por la parte de abajo de la placa.parte de abajo de la placa.

Trabajo Adiabático.

Ocurre cuando se realiza trabajo mecánico Ocurre cuando se realiza trabajo mecánico sobre un sistema que está envuelto en sobre un sistema que está envuelto en paredes adiabáticas, es decir, sin que pueda paredes adiabáticas, es decir, sin que pueda emitir o adsorber calor durante el proceso.emitir o adsorber calor durante el proceso.

Característica…

Es el proceso de un sistema rodeado por Es el proceso de un sistema rodeado por una pared adiabática.una pared adiabática.

El trabajo suministrado puede ser El trabajo suministrado puede ser potencial o disipativo.potencial o disipativo.

El carácter adiabático determina el El carácter adiabático determina el proceso.proceso.

El trabajo se mide externamente.El trabajo se mide externamente.

La conexión adiabática

Sólo se considera el proceso de cesión de trabajo al sistema.

El proceso inverso dará lugar a otro principio de la termodinámica.

Primera Ley de la Termodinámica.

La cantidad total de energía es constante La cantidad total de energía es constante aunque adopte diferentes presentaciones; cuando aunque adopte diferentes presentaciones; cuando desaparece una forma de energía surge desaparece una forma de energía surge simultáneamente con otra apariencia.simultáneamente con otra apariencia.

.... pEcEU

WQ

0

sistema del

interna energía

salrededorelos de

interna energía

salrededorelos de

interna energía

sistema del

interna energía

¿Cómo se relaciona el Primer Principio de la Termodinámica con los procesos ambientales?

Ciclo energético del ecosistema

Capacidad Calorífica

La capacidad calorífica (C) de una sustancia es la La capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1 ºC cantidad de energía necesaria para aumentar 1 ºC su temperatura.su temperatura.

Indica la mayor o menor dificultad que presenta Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica.interpretarse como una medida de inercia térmica.

Para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC es necesario aportar una cantidad de calor igual a una caloría. Por tanto, la capacidad calorífica de 1 g de agua es igual a 1 cal/K.

Calor Específico

El valor de la capacidad calorífica por El valor de la capacidad calorífica por unidad de masa se conoce como calor unidad de masa se conoce como calor específico.específico.

CAPACIDAD CALORÍFICA

mC

c

tQ

C

CALOR ESPECÍFICO

CALOR ABSORBIDO POR UN CUERPO

tmcQ

ó

tCQ

Tabla de Calores Específicos

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Los procesos termodinámicos reales, tienen ciertas Los procesos termodinámicos reales, tienen ciertas restricciones que describe la segunda ley de la restricciones que describe la segunda ley de la termodinámica en los siguientes dos enunciados:termodinámica en los siguientes dos enunciados:

1.1. Ningún aparato puede operar en forma tal que su único Ningún aparato puede operar en forma tal que su único efecto (en el sistema y los alrededores), sea la conversión efecto (en el sistema y los alrededores), sea la conversión completa del calor absorbido por el sistema en trabajo.completa del calor absorbido por el sistema en trabajo.

2.2. Ningún proceso puede consistir únicamente en la Ningún proceso puede consistir únicamente en la transferencia de calor de un nivel de temperatura a otro transferencia de calor de un nivel de temperatura a otro superior.superior.

Análisis de la Segunda Ley

1.1. El proceso no puede dejar sin cambio ni al El proceso no puede dejar sin cambio ni al sistema ni a los alrededores.sistema ni a los alrededores.

2.2. Suponiendo la expansión de un gas, este no Suponiendo la expansión de un gas, este no aumenta su volumen indefinidamente, sino que aumenta su volumen indefinidamente, sino que está limitado por los alrededores, por lo tanto la está limitado por los alrededores, por lo tanto la expansión cesa.expansión cesa.

3.3. No existe una producción continua de trabajo.No existe una producción continua de trabajo.

4.4. Si el sistema regresa a su estado original, se Si el sistema regresa a su estado original, se necesita tomar energía en forma de trabajo de los necesita tomar energía en forma de trabajo de los alrededores para comprimir el gas hasta su alrededores para comprimir el gas hasta su presión inicial, y en un proceso isotérmico, se presión inicial, y en un proceso isotérmico, se transfiere energía en forma de calor a los transfiere energía en forma de calor a los alrededores para mantener la temperatura alrededores para mantener la temperatura constante.constante.

5.5. El proceso inverso consume diferente cantidad El proceso inverso consume diferente cantidad de trabajo, por lo que no hay producción neta de de trabajo, por lo que no hay producción neta de trabajo.trabajo.

Por lo tanto, el primer enunciado de la segunda ley Por lo tanto, el primer enunciado de la segunda ley se resume como:se resume como:

““Es imposible, mediante un proceso Es imposible, mediante un proceso cíclicocíclico convertir completamente el calor absorbido convertir completamente el calor absorbido

por el sistema en trabajopor el sistema en trabajo”.”.

Nota:Nota: La segunda ley no prohíbe la producción La segunda ley no prohíbe la producción de trabajo a partir del calor, pero limita de trabajo a partir del calor, pero limita la fracción de calor que puede la fracción de calor que puede convertirse en trabajo en un proceso convertirse en trabajo en un proceso cíclico.cíclico.

Máquinas del Movimiento Perpetuo

Es una máquina hipotética que sería capaz de Es una máquina hipotética que sería capaz de crear energía de la nada.crear energía de la nada.

Su existencia es totalmente imposible, según Su existencia es totalmente imposible, según las leyes de la física, ya que violaría la primera las leyes de la física, ya que violaría la primera y segunda leyes de la termodinámica.y segunda leyes de la termodinámica.

Móvil Perpetuo de Primera Especie

Los móviles perpetuos de primera especie violan Los móviles perpetuos de primera especie violan la primera ley de la termodinámica, que es la que la primera ley de la termodinámica, que es la que afirma la conservación de la energía, ya que afirma la conservación de la energía, ya que producen más energía de la que consumen, producen más energía de la que consumen, pudiendo funcionar eternamente una vez encendidos.pudiendo funcionar eternamente una vez encendidos.

Muchos de estos diseños utilizan imanes como Muchos de estos diseños utilizan imanes como fuente de energía libre, y asumen que no hay fuente de energía libre, y asumen que no hay rozamiento.rozamiento.

Así, aunque estos inventos no puedan funcionar Así, aunque estos inventos no puedan funcionar eternamente, son a veces capaces de funcionar por eternamente, son a veces capaces de funcionar por sí mismos por largos períodos, siempre que no se les sí mismos por largos períodos, siempre que no se les obligue a realizar ningún trabajo sobre su entorno.obligue a realizar ningún trabajo sobre su entorno.

Móvil Perpetuo de Segunda Especie

Es aquel que desarrolla un trabajo de forma Es aquel que desarrolla un trabajo de forma cíclica (indefinida) intercambiando calor sólo cíclica (indefinida) intercambiando calor sólo con una fuente térmica.con una fuente térmica.

También es llamado móvil de Planck, y es También es llamado móvil de Planck, y es imposible de construir ya que viola la Segunda imposible de construir ya que viola la Segunda ley de la termodinámica.ley de la termodinámica.

Exposición Práctica

En equipo elige una de las máquinas del movimiento En equipo elige una de las máquinas del movimiento perpetuo que se presentan a continuación investiga acerca perpetuo que se presentan a continuación investiga acerca de ella y realiza una presentación de la mismade ella y realiza una presentación de la misma

Duración de la presentación 10 minutos.Duración de la presentación 10 minutos.

Valor: 15 puntos de los 70 de prácticas.Valor: 15 puntos de los 70 de prácticas.

Evaluación:Evaluación:

Contenido, Presentación, Material de exposición, Contenido, Presentación, Material de exposición, Preparación, Trabajo en Equipo y trabajo Escrito (2 – 5 Preparación, Trabajo en Equipo y trabajo Escrito (2 – 5 Hojas)Hojas)

Experimentos llevarían a un movimiento perpetuo…Experimentos llevarían a un movimiento perpetuo…

1.1. El demonio de MaxwellEl demonio de Maxwell: se trata de violar la segunda ley, : se trata de violar la segunda ley, al separar dos gases mezclados, introduciendo un al separar dos gases mezclados, introduciendo un hipotético demonio que fuera moviendo las moléculas de hipotético demonio que fuera moviendo las moléculas de los gases hacia el lugar apropiado.los gases hacia el lugar apropiado.

El demonio de Maxwell separa las moléculas de los gases A y B.

2.2. El trinquete de Brown de Richard FeynmanEl trinquete de Brown de Richard Feynman: un "móvil : un "móvil perpetuo" que extrae trabajo a partir de fluctuaciones perpetuo" que extrae trabajo a partir de fluctuaciones térmicas, aparentando funcionar eternamente, aunque térmicas, aparentando funcionar eternamente, aunque realmente sólo lo haga mientras el entorno esté más realmente sólo lo haga mientras el entorno esté más caliente que el trinquete.caliente que el trinquete.

3.3. Máquina de Prometeo: también conocida como máquina Máquina de Prometeo: también conocida como máquina cero, máquina N, máquina del futuro ó máquina de calor cero, máquina N, máquina del futuro ó máquina de calor atmosférico. Estructura combustible de Prometeo.atmosférico. Estructura combustible de Prometeo.

4. Frasco de auto llenado de Roberto Boyle

5. El relojero de Maguncia.5. El relojero de Maguncia.

6. Móvil perpetuo de Villard de Honnecourt ó Rueda de Villard de Honnecourt. 1235

7. Cascada de Escher

8. Diseño de Orffyreus de 1715.

9. Robert Fludd. Uno de los molinos de Fludd.

                                    

10. Rueda diseñada por Leonardo da Vinci.

Máquinas Térmicas

Es un mecanismo o máquina que produce Es un mecanismo o máquina que produce trabajo a partir del calor en un proceso cíclico.trabajo a partir del calor en un proceso cíclico.

Son máquinas de fluido compresible.Son máquinas de fluido compresible.

En los motores térmicos, la energía del fluido que En los motores térmicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose energía mecánica.energía mecánica.

En el caso de generadores térmicos, el proceso En el caso de generadores térmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energía al atravesar la máquina.energía al atravesar la máquina.

Los motores térmicos, son máquinas que emplean la Los motores térmicos, son máquinas que emplean la energía resultante de un proceso, generalmente de energía resultante de un proceso, generalmente de combustión, para incrementar la energía de un fluido combustión, para incrementar la energía de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtención que posteriormente se aprovecha para la obtención de energía mecánica.de energía mecánica.

Los ciclos termodinámicos empleados, exigen la Los ciclos termodinámicos empleados, exigen la utilización de una máquina o grupo generador que utilización de una máquina o grupo generador que puede ser hidráulico (en los ciclos de turbina de puede ser hidráulico (en los ciclos de turbina de vapor) o térmico (en los ciclos de turbina de gas), de vapor) o térmico (en los ciclos de turbina de gas), de modo que sin éste el grupo motor no puede modo que sin éste el grupo motor no puede funcionar, de ahí que en la práctica se denomine funcionar, de ahí que en la práctica se denomine Motor TérmicoMotor Térmico al conjunto de elementos al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energía mecánica.elemento en el que se obtiene la energía mecánica.

Ejemplos de Máquinas TérmicasEjemplos de Máquinas Térmicas

Máquinas térmicas

Motoras

Volumétricas

Alternativas (Máquina de vapor)

Rotativas (Motor rotativo de aire caliente)

Turbomáquinas Turbinas

Generadoras

Volumétricas

Alternativas (Compresor de émbolo)

Rotativas (Compresor rotativo)

Turbomáquinas Turbocompresores

El ciclo realizado en una máquina térmica El ciclo realizado en una máquina térmica consta de:consta de:

De un proceso durante el cual se produce la De un proceso durante el cual se produce la absorción del calor de un foco externo a absorción del calor de un foco externo a temperatura elevada denominado foco temperatura elevada denominado foco caliente.caliente.

De un proceso durante el cual el calor De un proceso durante el cual el calor expulsado a un foco externo a temperatura expulsado a un foco externo a temperatura más baja denominado foco frío.más baja denominado foco frío.

Máquinas FrigoríficasEs un tipo de máquina térmica, cuyo propósito es el de mantener un recinto Es un tipo de máquina térmica, cuyo propósito es el de mantener un recinto refrigerado mediante la transferencia de calor.refrigerado mediante la transferencia de calor.

La transferencia de calor se realiza mediante un fluido frigorífico, que en La transferencia de calor se realiza mediante un fluido frigorífico, que en distintas partes de la máquina sufre transformaciones de presión, distintas partes de la máquina sufre transformaciones de presión, temperatura y fase (líquida o gaseosa); y que es puesto en contacto temperatura y fase (líquida o gaseosa); y que es puesto en contacto térmico con los recintos para absorber calor de unas zonas y transferirlo a térmico con los recintos para absorber calor de unas zonas y transferirlo a otras.otras.

Debe contener como mínimo los cuatro siguientes elementos:Debe contener como mínimo los cuatro siguientes elementos:

Compresor:Compresor: Es el elemento que suministra energía al sistema. El Es el elemento que suministra energía al sistema. El refrigerante llega en estado gaseoso al compresor y aumenta su refrigerante llega en estado gaseoso al compresor y aumenta su presión.presión.

Condensador:Condensador: El condensador es un intercambiador de calor, en el El condensador es un intercambiador de calor, en el que se disipa el calor absorbido en el evaporador y la energía del que se disipa el calor absorbido en el evaporador y la energía del compresor. En el condensador el refrigerante cambia de fase compresor. En el condensador el refrigerante cambia de fase pasando de gas a líquido.pasando de gas a líquido.

Válvula de expansión:Válvula de expansión: El refrigerante líquido entra en la válvula El refrigerante líquido entra en la válvula de expansión donde reduce su presión. Al reducirse su presión se de expansión donde reduce su presión. Al reducirse su presión se reduce bruscamente su temperatura.reduce bruscamente su temperatura.

Evaporador:Evaporador: El refrigerante a baja temperatura y presión pasa por El refrigerante a baja temperatura y presión pasa por el evaporador, que al igual que el condensador es un el evaporador, que al igual que el condensador es un intercambiador de calor, y absorbe el calor del recinto donde esta intercambiador de calor, y absorbe el calor del recinto donde esta situado. El refrigerante líquido que entra al evaporador se situado. El refrigerante líquido que entra al evaporador se transforma en gas al absorber el calor del recinto.transforma en gas al absorber el calor del recinto.

En conclusión, el evaporador absorbe el calor del recinto que En conclusión, el evaporador absorbe el calor del recinto que queremos enfriar, el compresor aumenta la presión del queremos enfriar, el compresor aumenta la presión del refrigerante para facilitar la condensación posterior y posibilitar refrigerante para facilitar la condensación posterior y posibilitar la circulación del fluido. La válvula de expansión reduce la la circulación del fluido. La válvula de expansión reduce la presión provocando el enfriamiento del refrigerante.presión provocando el enfriamiento del refrigerante.

Entropía, “S”La palabra entropía procede del griego y significa evolución La palabra entropía procede del griego y significa evolución

o transformación.o transformación.

Es la magnitud física que mide la parte de la energía que no Es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo.puede utilizarse para producir trabajo.

Se interpreta como la medida de la uniformidad de la Se interpreta como la medida de la uniformidad de la energía de un sistema.energía de un sistema.

El universo, tiende a distribuir la energía uniformemente, es El universo, tiende a distribuir la energía uniformemente, es decir, maximizar la entropía.decir, maximizar la entropía.

La entropía describe lo irreversible de los sistemas La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicatermodinámica

La entropía puede interpretarse como una medida La entropía puede interpretarse como una medida de la distribución aleatoria de un sistema.de la distribución aleatoria de un sistema.

Se dice que un sistema altamente distribuido al Se dice que un sistema altamente distribuido al azar tiene una alta entropía.azar tiene una alta entropía.

Puesto que un sistema en una condición Puesto que un sistema en una condición improbable tendrá una tendencia natural a improbable tendrá una tendencia natural a reorganizarse a una condición más probable (similar reorganizarse a una condición más probable (similar a una distribución al azar), esta reorganización a una distribución al azar), esta reorganización resultará en un aumento de la entropía.resultará en un aumento de la entropía.

La entropía alcanzará un máximo cuando el La entropía alcanzará un máximo cuando el sistema se acerque al equilibrio, alcanzándose la sistema se acerque al equilibrio, alcanzándose la configuración de mayor probabilidad.configuración de mayor probabilidad.

La entropía delos procesos ambientales

Si queremos entender mínimamente algo de cómo es Si queremos entender mínimamente algo de cómo es este universo en el que estamos, hemos de tener en mente este universo en el que estamos, hemos de tener en mente ideas relativas a desorden, azar, organización...es decir, de ideas relativas a desorden, azar, organización...es decir, de entropía.entropía.

““La Segunda ley de la Termodinámica nos dice que la La Segunda ley de la Termodinámica nos dice que la entropía, en cierto modo, el desorden del Universo debe entropía, en cierto modo, el desorden del Universo debe aumentar, que todos los procesos que se den en él son aumentar, que todos los procesos que se den en él son irreversibles”.irreversibles”.

““El Universo se va a ir diluyendo en una especie de El Universo se va a ir diluyendo en una especie de caldo homogéneo y uniforme en el que las irregularidades, caldo homogéneo y uniforme en el que las irregularidades, discontinuidades, agregados se van a ir diluyendo hasta discontinuidades, agregados se van a ir diluyendo hasta llegar a un estado de máxima entropía, de máximo llegar a un estado de máxima entropía, de máximo desorden”. desorden”.

““Como la dirección del tiempo viene marcada por Como la dirección del tiempo viene marcada por una evolución desde un estado de menor a otro de una evolución desde un estado de menor a otro de mayor entropía”.mayor entropía”.

¿qué pasa hasta llegado el momento de máxima ¿qué pasa hasta llegado el momento de máxima entropía?entropía?

¿de qué forma a pesar de una tendencia de ¿de qué forma a pesar de una tendencia de cualquier sistema aislado a evolucionar en el sentido cualquier sistema aislado a evolucionar en el sentido de máximo desorden, aparecen los seres vivos, se de máximo desorden, aparecen los seres vivos, se crean estructuras cada vez más organizadas, es crean estructuras cada vez más organizadas, es decir, cada vez más ordenadas?decir, cada vez más ordenadas?

““Los seres vivos, sólo alcanzamos el Los seres vivos, sólo alcanzamos el equilibrio cuando morimos”.equilibrio cuando morimos”.

““Los procesos que conforman lo que Los procesos que conforman lo que denominamos vida, son procesos fuera del denominamos vida, son procesos fuera del equilibrio. ¡Estamos vivos porque no equilibrio. ¡Estamos vivos porque no estamos en equilibrio!”. estamos en equilibrio!”.

Los sistemas intercambian materia y energía con sus Los sistemas intercambian materia y energía con sus alrededores y en los que en las relaciones que gobiernan su alrededores y en los que en las relaciones que gobiernan su comportamiento, una pequeña variación en las causas no comportamiento, una pequeña variación en las causas no producen pequeñas variaciones en los efectos, sino producen pequeñas variaciones en los efectos, sino variaciones impredecibles e incluso de gran amplitud.variaciones impredecibles e incluso de gran amplitud.

En estos sistemas pueden aparecer puntos de crisis, en En estos sistemas pueden aparecer puntos de crisis, en los que el sistema deja el estado constante y evoluciona hacia los que el sistema deja el estado constante y evoluciona hacia otro estado distinto que puede presentar una apariencia más otro estado distinto que puede presentar una apariencia más "organizada" que el estado de partida."organizada" que el estado de partida.

Durante el proceso se ha abandonado la "producción Durante el proceso se ha abandonado la "producción mínima de entropía", la producción global de ella ha mínima de entropía", la producción global de ella ha aumentado, pero lo que se observa es un comportamiento aumentado, pero lo que se observa es un comportamiento ordenado. Así, ¡el sistema evoluciona espontáneamente!.ordenado. Así, ¡el sistema evoluciona espontáneamente!.

Ya no se puede asociar la direccionalidad del Ya no se puede asociar la direccionalidad del tiempo con el aumento del desorden, puesto que tiempo con el aumento del desorden, puesto que procesos espontáneos generan estados cada vez procesos espontáneos generan estados cada vez más organizados (por ejemplo, el crecimiento de un más organizados (por ejemplo, el crecimiento de un ser vivo).ser vivo).

Jorge Luis Borges dijo, "Jorge Luis Borges dijo, "cuando oigo decir que cuando oigo decir que frente al problema de la naturaleza del tiempo se frente al problema de la naturaleza del tiempo se han hecho muchos avances en estos últimos cien han hecho muchos avances en estos últimos cien años, no puedo dejar de pensar que esta años, no puedo dejar de pensar que esta respuesta es tan absurda como si respuesta es tan absurda como si respondiésemos que frente al problema de la respondiésemos que frente al problema de la naturaleza del espacio, se dijese que se han naturaleza del espacio, se dijese que se han hecho muchos avances en estos últimos cien hecho muchos avances en estos últimos cien metrosmetros".".

Ciclos TermodinámicosCiclos Termodinámicos

Proceso que tiene lugar en dispositivos Proceso que tiene lugar en dispositivos destinados a la obtención de trabajo a partir destinados a la obtención de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta de dos fuentes de calor a distinta temperatura.temperatura.

Y de manera inversa, a producir el paso Y de manera inversa, a producir el paso de calor de la fuente de menor temperatura de calor de la fuente de menor temperatura a la fuente de mayor temperatura mediante a la fuente de mayor temperatura mediante la aportación de trabajo.la aportación de trabajo.

Ciclo de CarnotCiclo de Carnot

Es un ciclo termodinámico ideal reversible Es un ciclo termodinámico ideal reversible entre dos fuentes de temperatura, en el cual el entre dos fuentes de temperatura, en el cual el rendimiento es máximo.rendimiento es máximo.

Una máquina térmica que realiza este ciclo Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina se denomina máquina de Carnotmáquina de Carnot. Trabaja . Trabaja absorbiendo una cantidad de calor Qabsorbiendo una cantidad de calor Q11 de la de la fuente de alta temperatura y cede un calor Qfuente de alta temperatura y cede un calor Q22 a a la de baja temperatura produciendo un trabajo la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior.sobre el exterior.

El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por:El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por:

Esquema de una máquina de Carnot.

La máquina absorbe calor desde la fuente caliente T1 y cede calor a la

fría T2 produciendo trabajo.

Etapas del ciclo de Carnot:Etapas del ciclo de Carnot:Consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos y dos Consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos y dos adiabáticos:adiabáticos:

1.1. Expansión isotérmica:Expansión isotérmica: Se parte de una situación en que el gas se Se parte de una situación en que el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura Tencuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T11 de la fuente de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura Ttemperatura T11, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas , haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de Ttiende a enfriarse, pero absorbe calor de T11 y mantiene su temperatura y mantiene su temperatura constante.constante.

Al tratarse de un gas ideal, y no cambiar la temperatura tampoco lo hace Al tratarse de un gas ideal, y no cambiar la temperatura tampoco lo hace su energía interna, y despreciando los cambios en la energía potencial y su energía interna, y despreciando los cambios en la energía potencial y la cinética, a partir de la 1ª ley de la termodinámica vemos que todo el la cinética, a partir de la 1ª ley de la termodinámica vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo.calor transferido es convertido en trabajo.

La entropía, ésta aumenta en este proceso:La entropía, ésta aumenta en este proceso:

2.2. Expansión adiabática:Expansión adiabática: A partir A partir de aquí el sistema se aísla de aquí el sistema se aísla térmicamente, con lo que no térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con hay transferencia de calor con el exterior.el exterior.

Esta expansión adiabática hace Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la alcanzar exactamente la temperatura Ttemperatura T22 en el momento en el momento

en que el gas alcanza su en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse volumen máximo. Al enfriarse disminuye su energía interna, disminuye su energía interna, con lo que:con lo que:

3.3. Compresión isotérmicaCompresión isotérmica: Se pone : Se pone en contacto con el sistema la en contacto con el sistema la fuente de calor de temperatura Tfuente de calor de temperatura T22 y el gas comienza a comprimirse, y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la porque va cediendo calor a la fuente fría.fuente fría.

Al no cambiar la temperatura Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema:trabajo sobre el sistema:

4.4. Compresión adiabáticaCompresión adiabática: Aislado térmicamente, : Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado aumentando su temperatura hasta el estado inicial.inicial.

La energía interna aumenta y el calor es nulo, La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema:habiendo que comunicar un trabajo al sistema:

Diagrama PV del ciclo de Carnot

Diagrama del ciclo de Carnot en función de la temperatura y la entropía.

Ciclo de Otto

Es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores Es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores de combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor de combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. El ciclo consta de cuatro se aporta a volumen constante. El ciclo consta de cuatro procesos:procesos:

• 1-2: 1-2: Compresión adiabáticaCompresión adiabática..

• 22-3: -3: Ignición:Ignición: aporte de calor a volumen constante. La aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil.útil.

• 33-4: -4: Expansión adiabáticaExpansión adiabática o parte del ciclo que entrega o parte del ciclo que entrega trabajo.trabajo.

• 44-1: Escape, cesión del calor residual al medio ambiente a -1: Escape, cesión del calor residual al medio ambiente a volumen constante volumen constante

Ciclo Otto en función de la presión y el volumen.

Hay dos tipos de motores que se rigen Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos.tiempos y los motores de cuatro tiempos.

Este, junto con el motor diesel, es el más Este, junto con el motor diesel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos.que el motor de dos tiempos.

MOTOR DE 2 TIEMPOS1.1. Admisión - Compresión:Admisión - Compresión: Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto

Muerto Inferior) empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Muerto Inferior) empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando una diferencia de presión que aspira la mezcla de Superior), creando una diferencia de presión que aspira la mezcla de aire y gasolina por la lumbrera de admisión. Cuando el pistón tapa la aire y gasolina por la lumbrera de admisión. Cuando el pistón tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido el lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido el pístón la comprime.pístón la comprime.

2.2. EExpansión - Escape de Gasesxpansión - Escape de Gases: Una vez que el pistón ha alcanzado el : Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la mezcla está comprimida, se la enciende por una chispa entre PMS y la mezcla está comprimida, se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la bujía, liberando energía y alcanzando altas los dos electrodos de la bujía, liberando energía y alcanzando altas presiones y temperaturas en el cilindro. El pistón se desplaza hacia presiones y temperaturas en el cilindro. El pistón se desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. Al estar a altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio.Al estar a altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio.

El rendimiento de este motor es inferior respecto El rendimiento de este motor es inferior respecto al motor de 4 tiempos, ya que al motor de 4 tiempos, ya que tiene un rendimiento tiene un rendimiento volumétrico menorvolumétrico menor y y el escape de gases es menos el escape de gases es menos eficazeficaz..

También También son más contaminantesson más contaminantes. Por otro lado, . Por otro lado, suelen dar más potencia que uno de cuatro tiempos suelen dar más potencia que uno de cuatro tiempos para el mismo número de cilindros, ya que este hace para el mismo número de cilindros, ya que este hace una explosión en cada revolución, mientras el motor una explosión en cada revolución, mientras el motor de 4 tiempos hace una explosión por cada 2 de 4 tiempos hace una explosión por cada 2 revoluciones, y cuenta con más partes móviles.revoluciones, y cuenta con más partes móviles.

Éste tipo de motores se utilizan mayoritariamente Éste tipo de motores se utilizan mayoritariamente en motores de poco cilindraje, (motocicletas, en motores de poco cilindraje, (motocicletas, cortacésped, motosierras, etc.), ya que es más cortacésped, motosierras, etc.), ya que es más barato y sencillo de construir.barato y sencillo de construir.

MOTOR DE 2 TIEMPOS

MOTOR DE 4 TIEMPOS

1.1. Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro.cilindro.

2.2. Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla.fase, la bujía se activa y enciende la mezcla.

3.3. Durante la tercera fase se produce la combustión de la Durante la tercera fase se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión de mezcla, liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón. El la trasmite a la biela, y la biela la trasmitida al pistón. El la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización.trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización.

4.4. En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS, expulsando los gases se mueve hacia el PMS, expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo.para empezar un nuevo ciclo.

Para mejorar el llenado del cilindro, también se Para mejorar el llenado del cilindro, también se utilizan sistemas de sobrealimentación. una de las utilizan sistemas de sobrealimentación. una de las formas llegar a una sobre alimentación bien formas llegar a una sobre alimentación bien "equilibrada" (ya que la mezcla de nafta y aire tiene "equilibrada" (ya que la mezcla de nafta y aire tiene que ser justa para una buena combustión) es que ser justa para una buena combustión) es poniendo un filtro de aire de admisión directa que hace poniendo un filtro de aire de admisión directa que hace que no haya excedentes de nafta en la cámara de que no haya excedentes de nafta en la cámara de compresión ya que los filtros convencionales frenan compresión ya que los filtros convencionales frenan mucho el aire.mucho el aire.