Primer Principio Termodinamica
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8/18/2019 Primer Principio Termodinamica
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Primer principioFísica II
Grado en Ingeniería deOrganización Industrial
Primer Curso
Joaquín Bernal MéndezCurso 2011-2012
Departamento de Física Aplicada IIIUniversidad de Sevilla
Índice
Introducción
Calor y energía internaCalor específico: calorimetría
Calor latente y cambios de fase
Trabajo en los procesos termodinámicos
Primer Principio de la Termodinámica
Aplicaciones del Primer Principio
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8/18/2019 Primer Principio Termodinamica
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IntroducciónLos sistemas termodinámicos pueden intercambiar energía consu entorno mediante diferentes mecanismos
Calor Trabajo
Transferencia de masa
En este tema vamos a introducir las técnicas básicas paracalcular y medir las transferencias energéticas en forma decalor y trabajo (sistemas cerrados)
Parte de la energía transferida entre un sistema y su entornopuede provenir de o quedar acumulada en el interior delsistema como energía asociada a sus componentesmicroscópicos
Los procesos de transferencia y acumulación de energía debenobedecer un Principio de conservación de la energía: Primer Principio de la Termodinámica
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Índice
Introducción
Calor y energía internaCalor específico: calorimetría
Calor latente y cambios de fase
Trabajo en los procesos termodinámicos
Primer Principio de la Termodinámica
Aplicaciones del Primer Principio
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8/18/2019 Primer Principio Termodinamica
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Concepto de calor S.XVIII: Teoría del “calórico”:
fluido imponderable que entra o sale de los
cuerpos y que se conserva
S.XIX:
Conde Rumford (1799): rozamiento genera calor
James Joule (1843): calor como energía
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El calor es un mecanismo por el que la energía setransfiere entre un sistema y su entorno como
consecuencia de una diferencia de temperatura entreambos. También es la cantidad de energía Q transferida
en ese proceso
Energía interna
Ejemplo: agua que se calienta en una llama
El agua absorbe energía en forma de calor
Es incorrecto hablar de calor contenido en elagua
¿Cómo se denomina la energía acumulada?
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La energía interna (U ) es la energía asociada a loscomponentes microscópicos de un sistema (átomos y
moléculas) observados desde un sistema de referencia
en reposo respecto al sistema. Incluye:
E c y E p debidas al movimiento de átomos y moléculas
Energía potencial intermolecular
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Unidades del calor
En los comienzos de la termodinámica no se
consideraba el calor como energíaSe diseño un método para medir el Q
transferido en función del incremento de
temperatura de los cuerpos:
Existe una relación entre esta unidad y la
unidad de energía del S.I: 1 cal=4.18 J
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Caloría (cal): calor necesario para elevar latemperatura de 1g de agua desde 14,5 a 15,5 ºC.
Índice
Introducción
Calor y energía internaCalor específico: calorimetría
Calor latente y cambios de fase
Trabajo en los procesos termodinámicos
Primer Principio de la Termodinámica
Aplicaciones del Primer Principio
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Calor específico: calorimetría
Calor específico: permite caracterizar lamayor o menor tendencia a aumentar sutemperatura de las sustancias ante undeterminado aporte de energía
Supongamos una masa m de una sustancia a laque se aporta un calor Q, provocando un T
c es el calor necesario para elevar 1ºC latemperatura de la unidad de masa de sustancia
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Q m Qc
m T
J cal
unidades: ;kg K kg ºC
Calor específico
Se dispone de datos de c tabulados para
distintas sustancias
Podemos calcular Q transferido entre un
sistema y su entorno para un T :
Criterio de signos:
Si T >0 Q>0: sistema absorbe calor
Si T
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Calor específico: propiedadesdel agua
El agua tiene un valor muy alto de calor
específico:
puede absorber o ceder gran cantidad de calor
con un pequeño T
Es una sustancia excelente para almacenar
energía térmica o como refrigerante
Esta propiedad explica muchos fenómenos:
Clima en lugares costeros (“colchón térmico”)Brisa en las playas
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Calorimetría (I)
Medida del calor específico de un cuerpo:
Aumentamos su temperatura hastaLo introducimos en un recipiente aislado conuna masa de agua ( ) a T conocida:
Medimos la temperatura en el equilibrio:
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xT
aT am
xT xc x
m
T
T a
T am
calorímetro
Calorimetría (II) Análisis:
Conservación de la energía:
Donde por ser calor cedido
Usando el concepto de calor específico:
Para mayor precisión incluimos energía
absorbida por el recipiente:
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a xQ Q
0 xQ
( ) ( )a a a x x x
m c T T m c T T
( )
( )
a a a x
x x
m c T T c
m T T
' ( ) ( )a a a a c c a
Q m c T T m c T T
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Índice
Introducción
Calor y energía interna
Calor específico: calorimetría
Calor latente y cambios de fase
Trabajo en los procesos termodinámicos
Primer Principio de la Termodinámica
Aplicaciones del Primer Principio
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Calor latente y cambios defase
La energía se emplea en vencer las fuerzasatractivas entre moléculas
En una sustancia pura el cambio de fase a una Pdada ocurre a temperatura fija
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Q
0ºCT
0T
1 atmP
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Calor latente y cambios de fase
Formas más comunes de cambios de fase:
Fusión-solidificación
Vaporización-condensación
Sublimación-deposición
Ej: hielo seco: CO2 pasa de sólido a gas a 1 atm y -78ºCLa sublimación también se denomina volatilización, y la deposiciónpuede ser llamada sublimación inversa en algunos textos.
Cambios de forma cristalina en sólidos
Ej: carbono-diamante
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Calor latente
Energía que ha de absorber o ceder 1 kg de
sustancia para que se produzca el cambio
de fase:
Signo: sigue el convenio para Q
Unidades de L:
Depende de:
Tipo de cambio de faseSustancia
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Q mL
J caló
kg g
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Calor latente
(*) corresponde a sublimación
El calor latente Lv suele ser mayor que el L f
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Sustancia PF (K) L f (kJ/kg) PV (K) Lv (kJ/kg)
Agua 273.15 333.5 373.15 2257
Alcohol 159 109 351 879
CO2 - - 194.6* 573*
Helio - - 4.2 21
Oro 1336 62.8 3081 1701
Plata 1234 105 2436 2323
Puntos y calores latentes de fusión y vaporización a 1 atm
Calor latente: ejemplo (I)Calor necesario para convertir m=1,5 kgde hielo a T 0=-20ºC y 1 atm en vapor
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Hielo
-20ºC
Hielo
Tf =0ºC
Agua
0ºC
Agua
Tv=100ºC
vapor
100ºC
1 0( )h f Q mc T T
2 f Q mL
3 ( )a v f Q mc T T
4 vQ mL
1 2 3 4
1,5 2.05 20 61,5kJ
kg K kJkg K
1,5 4.18 100 627kJ
kg K kJkg K
1,5 333,5 500kJ
kg kJkg
1,5 2257 3,39kJkg MJkg
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Calor latente: ejemplo (II)Calor necesario para convertir m=1,5 kgde hielo a T0=-20ºC y 1 atm en vapor
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vapor agua y
vapor
agua
agua
y hieloHieloTiempo, min
Hielo
-20ºC
HieloT f =0ºC
Agua
0ºC
AguaT v=100ºC
vapor
100ºC1 2 3 4
4
1
4,58 MJi
i
Q Q
• La mayor parte de Q se usa en
vaporizar el agua
• Q2 para fundir hielo ≈ Q3 paracalentar el agua
• Suponiendo 1 kJ/sQ
Índice
Introducción
Calor y energía internaCalor específico: calorimetría
Calor latente y cambios de fase
Trabajo en los procesos termodinámicos
Primer Principio de la Termodinámica
Aplicaciones del Primer Principio
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Diagrama PV
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f
i
V
V
W PdV
El trabajo realizado sobre un gas en un procesocuasiestático es igual a menos el área bajo la curva en eldiagrama PV entre el estado inicial y el final
Diagrama PV
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Camino A
Camino B
Camino C
( ) A f f i
W P V V ( ) B i f i
W P V V f
C i
W PdV
A B C W W W
El trabajo no es función de estado
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Índice
Introducción
Calor y energía interna
Calor específico: calorimetría
Calor latente y cambios de fase
Trabajo en los procesos termodinámicos
Primer Principio de la Termodinámica
Aplicaciones del Primer Principio
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Primer Principio: introducciónQ y W son dos formas de transferir energía
La energía se acumula en los sistemas en
forma de energía internaExperimento de Joule (1843):
Se puede elevar T del agua
suministrando W
Para T =1ºC: W =4,18 J(equivalente mecánico del calor)
W y Q energía en tránsito
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Primer Principio
Principio de conservación de la energía:
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La variación de energía interna de un sistema esigual al calor transferido al sistema más el trabajo
realizado sobre el sistema
U Q W
0in
Q
0out Q
Sistema
0in
W
0out W U
in out Q Q Q
in out W W W
Primer Principio:observaciones
Es un caso particular del Principio de conservaciónde la energía
Válido para sistemas cerrados
No se puede aplicar a sistemas con términos de E c ó E p(efectos gravitatorios ó electromagnéticos)
La energía interna es una función de estadoSistemas PVT: U =U (P,T )
Para cambios infinitesimales: dU = dW + dQ,donde:
dU es una diferencial exacta
dQ, dW representan una pequeña energía transferida A veces se escriben: Q, W para indicar que no sondiferenciales exactas.
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Índice
Introducción
Calor y energía interna
Calor específico: calorimetría
Calor latente y cambios de fase
Trabajo en los procesos termodinámicos
Primer Principio de la Termodinámica
Aplicaciones del Primer Principio
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Proceso adiabático
No existe intercambio de calor:
Modela sistemas aislados ó que siguen un proceso
rápidoPrimer Principio:
Todo el trabajo entregado al sistema se emplea enincrementar su energía interna
El trabajo realizado por el sistema se hace a costa dedisminuir su energía interna
Los procesos adiabáticos modelan bien algunosprocesos de expansión o compresión de gases enmáquinas térmicas
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U W
0Q
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Expansión libreEl gas se expande contra el vacío:
Primer Principio:
La energía interna del sistema no cambiaEn gases a densidades bajas la T no cambia
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0U Q W
Vacío0Q
0W
Proceso isocoro
V =cte
Primer Principio:El calor absorbido se emplea en incrementar U
Si el sistema cede energía en forma de calor,disminuye su energía interna
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U Q
0 f
iW PdV
P
V
f
i
El área bajo la curva
es nula
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Proceso cíclicoEl estado final coincide con el inicial
Como U es función deestado:
Primer Principio:
: el trabajo realizado
por el sistema coincide con el
calor absorbido por éste
el trabajo es el área encerrada
dentro del ciclo en el diagrama PV
Muy importantes en máquinas térmicas
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P
V
f i0 f iU U U
0 Q W Q W
W PdV
W
ResumenEl calor es un mecanismo de transferencia de energía entresistemas con diferentes temperaturas
El trabajo es otro mecanismo de transferencia de energíaEn sistemas PVT el trabajo cuasiestático realizado sobre el gas esigual a menos el área bajo la curva en un diagrama PV
La energía queda acumulada en los sistemas en forma de energíainterna, que es una función de estadoEl Primer Principio de la Termodinámica relaciona W , Q y U através de una ley de conservación de la energía
Diferentes sustancias requieren en general aportes diferentes decalor para provocar una variación dada de su temperatura
Las tablas de calores específ icos nos permiten relacionar numéricamente calor aportado con variaciones de temperatura de lassustancias
El cambio de fase de una sustancia requiere un aporte o retirada
de energíaLas tablas de calores latentes nos permiten calcular la energía que seprecisa para provocar distintos cambios de fase en distintas sustancias