Colegio San Leonardo. Departamento de fsica. Maip, Santiago de Chile

Termodinmica:conceptosclaves.

Nombre:JosIgnacioContreras

Profesor:ClaudioAlbornoz

ndice

Introduccinpg1 Termodinmicapg2 PrincipioCerodelatermodinmica(oleycero).............pg3 Primeraleydelatermodinmica.pg3 SegundaleyyEntropa.pg4 Ciclostermodinmicos..pg5 CiclodeCarnotpg6 Terceraleydelatermodinmica.pg6 FundamentosMicroscpicosdelatermodinmica...pg7 Entalpa..pg8 Conclusinpg10

Introduccin

Latermodinmicaeslapartedelafsicaquetratadelosfenmenosrelacionadosconlaenergatrmicaydelasleyes(queacontinuacinsedetallarn)querigensutransformacinenotrotipodeenerga.Lavariacindeenergatrmicaacumuladaenunmedioenunprocesodecalentamientoodeenfriamientoseobtienecomoelproductodelamasadelmedio,porsucalorespecficoyporelsaltotrmico.Peronotodalaenergatrmicaalmacenadaenunmedioesutilizable.

Eldesarrollotecnolgicohasidoelelementobsicoquehapermitidoalhombreutilizarnuevasfuentesdeenergademaneracadavezmseficiente.Peroesteprogresotambintienesuslmites.

Todoslosprocesosdeaprovechamientoenergticorecurrenenunmomentoalintercambiodeenergatrmica.Laenerganucleargeneraunaenergacinticaquesetransformaenenergatrmica.Laenergaelicaesconsecuenciadelasvariacionestrmicasenlaatmsfera.

Losprincipiosdelatermodinmicatienenunaimportanciafundamentalparatodaslasramasdelacienciaylaingeniera.

Esteinformetienecomoobjetivopoderentregarinformacinbreveyprecisadeloqueeslatermodinmicaysuscaractersticas,paraquehaciseaposibleelestaralalcancedelaspersonasquequisieransaberloqueeseltemaenmayorprofundidadosientaalgunacuriosidad.

Termodinmica

Latermodinmicaeselcampodelafsicaquedescribeyrelacionalaspropiedadesfsicasdesistemasmacroscpicosdemateriayenergaquesedefinecomounconjuntodemateriaquesepuedeaislarespacialmenteyquecoexisteconunentornoinfinitoeimperturbable.Elestadodeunsistemamacroscpicoenequilibriopuededescribirsemediantepropiedadesmediblescomolatemperatura,lapresinoelvolumen,queseconocencomovariablestermodinmicas.

Alestudiarunproceso,yaseafsicooqumico,esnecesarioacotarloenelespacio.Unsistematermodinmicoesunapartedeluniversoqueesseparadaarbitrariamentedelrestomediantelmitesdefinidosparahacerlaobjetodealgunainvestigacinsiendo:

1.Sistema abierto: Ocurre un intercambio de materia y de energa con su entorno. Por ejemplo,elaguacontenidaenunvaso.

2.Sistemacerrado:Ocurreunintercambiodeenergaentreelsistemayelentorno,peronodemateria.Porejemplo,elaguacontenidaenunrecipientecerrado.

3.Sistemaaislado:Noexisteintercambiodeenerganidemateriaentreelsistemayelentorno.Porejemplo,elaguacontenidaenunrecipientecerradoytrmicamenteaislado

Esposibleidentificaryrelacionarentresmuchasotrasvariables(comoladensidad,elcalorespecfico,lacompresibilidadoelcoeficientedeexpansintrmica),conloqueseobtieneunadescripcinmscompletadeunsistemaydesurelacinconelentorno.Cuandounsistemamacroscpicopasadeunestadodeequilibrioaotro,sedicequetienelugarunprocesotermodinmico.

PrincipioCerodelatermodinmica(oleycero)

Elllamadoprincipiocerodelatermodinmicaescuandodoscuerposseencuentranenequilibriotrmicoconuntercero,entoncesestnenequilibriotrmicoentres.Estapropiedadcompartidaenelequilibrioeslatemperatura.

Explicandomsdetalladamenteescuandodossistemasestnenequilibriomutuo,compartenunadeterminadapropiedad.Estapropiedadpuedemedirse,yselepuedeasignarunvalornumricodefinido.Unaconsecuenciadeesehechoeselprincipiocerodelatermodinmica,queafirmaquesidossistemasdistintosestnenequilibriotermodinmicoconuntercero,tambintienenqueestarenequilibrioentres.

Latemperaturasemidecondispositivosllamadostermmetros.Untermmetrocontieneunasustanciaconestadosfcilmenteidentificablesyreproducibles,porejemploelaguapuraysuspuntosdeebullicinycongelacinnormales.Altrazarenunaescalagraduadaentreestosdosestados,latemperaturadecualquiersistemapuededeterminarseponindoloencontactotrmicoconeltermmetro,siemprequeelsistemaseagrandeenrelacinconeltermmetro.

Primeraleydelatermodinmica

Laprimeraleydelatermodinmicadaunadefinicinprecisadelcalor:Energaquepasadeuncuerpoaotroyescausadequeseequilibrensustemperaturas..Estaleyestablecequelaenergatotaldeunsistemacerradoseconservaconstantemente.Entodoslosprocesoslaenergasimplementeseconviertedeunaformaaotra,osetransfieredeunsistemaaotro.Aslaenergapuedetransformarsedecalorentrabajoodetrabajoencalor,siendoconstantesurelacindeequivalencia.

Cuandounsistemaseponeencontactoconotromsfroquel,tienelugarunprocesodeigualacindelastemperaturasdeambos.Paraexplicarestefenmeno,loscientficosdelsigloXVIIIevidenciaronqueunasustanciaqueestabapresenteenmayorcantidadenelcuerpodemayortemperaturafluahaciaelcuerpodemenortemperatura.Segnsecrea,estasustanciahipotticallamadacalricoeraunfluidocapazdeatravesarlosmediosmateriales(principiode

latermodinmica).Porelcontrario,elprimerprincipiodelatermodinmicaidentificaelcalrico,ocalor,comounaformadeenerga.Puedeconvertirseentrabajomecnicoyalmacenarse,peronoesunasustanciamaterial.Experimentalmentesedemostrqueelcalor,queoriginalmentesemedaenunidadesllamadascaloras,yeltrabajooenerga,medidosenjulios,erancompletamenteequivalentes.Aadiendocomodatoanexoqueunacaloraequivalea4,186julios.

Elprimerprincipioesunaleydeconservacindelaenergaenresumidascuentas,yaquecomolaenerganopuedecrearsenidestruirse,lacantidaddeenergatransferidaaunsistemaenformadecalormslacantidaddeenergatransferidaenformadetrabajosobreelsistemadebeserigualalaumentodelaenergainternadelsistema.Elcaloryeltrabajosonmecanismosporlosquelossistemasintercambianenergaentres.

SegundaleydelatermodinmicayEntropa

Elsegundoprincipio,enunciadoen1851porlordKelvin,afirmaqueesimposiblerealizarunatransformacincuyonicoresultadosealaconversinentrabajodelcalorextradodeunasolafuenteatemperaturauniforme.Elprincipiopuedeexponersedediferentesformas.Perolalimitacinqueimponeesquelatransformacinsloesposiblesisetomaenergadeunfococalienteypartedeellasedevuelveaunfocomsfro.Ladiferenciaentrelaenergatomadayladevueltaeslaenergatrmicaquesehatransformadoentrabajo.Esdecir,sloesaprovechableunapartedelaenergatomadadelfococaliente.Lasegundaleydelatermodinmicadaunadefinicinprecisadeunapropiedadllamadaentropa.Laentropapuedeconsiderarsecomounamedidadeloprximoonoquesehallaunsistemaalequilibriotambinpuedeconsiderarsecomounamedidadeldesorden(espacialytrmico)delsistema.

Lasegundaleyafirmaquelaentropa,osea,eldesorden,deunsistemaaisladonuncapuededecrecer.Portanto,cuandounsistemaaisladoalcanzaunaconfiguracindemximaentropa,yanopuedeexperimentarcambios:haalcanzadoelequilibrio.Lanaturalezaparecepues`preferir'eldesordenyelcaos.Puededemostrarsequeelsegundoprincipioimplicaque,sinoserealizatrabajo,esimposibletransferircalordesdeunaregindetemperaturamsbajaaunaregindetemperaturamsalta.

EntropaEncualquiersistemasometidoauncambioreversible,elcambiodeentropasedefinecomoelcalorabsorbido,divididoporlatemperaturatermodinmica:

Laentropaaumentaauncuandonocambialaenergatotaldelsistema(PrimeraLeydeTermodinmica),laenergadisponibleesmenorcomoconsecuenciadelaSegundaLeydeTermodinmica.

ElconceptodeentropasehaampliadoparaabarcarlaideageneraldeldesordenCuantomsaltalaentropamsdesordenadoeselsistema.Porejemploenunareaccinqumicaqueincluyapolimerizacinpuedetenerunadisminucindeentropaporhaycambioaunsistemamsordenado.LadefinicinTrmicadeentropaesuncasoespecialdeestaideadedesordenaqulaentropamidecomolaenergatransferidasedistribuyeentrelaspartculasdelamateria.

Estesegundoprincipioeslamanifestacindequeenunciclotermodinmiconoesposiblevolveralestadoinicial.Losprocesostermodinmicosnaturalessonirreversibles.Pararecuperarlaenergatrmicaoriginalalatemperaturaoriginalseranecesarioaportarenergadesdefueradelsistema.Noesposibleelevarlatemperaturadelfocofrosinunaportedeenergaexterior.EstaobservacinseenunciacomoelteoremadeClausius,segnelcualexisteunafuncindeestado,quedependeslodelasituacinynodelcaminocomosehallegadoal,quecreceentodoprocesotermodinmicoirreversible.

Elsegundoprincipioimponeunacondicinadicionalalosprocesostermodinmicos.Nobastaconqueseconservelaenergaycumplanaselprimerprincipio.

Ciclostermodinmicos

Todaslasrelacionestermodinmicasimportantesempleadaseningenierasederivandelprimerysegundoprincipiosdelatermodinmica.Resultatiltratarlosprocesostermodinmicosbasndoseenciclos:procesosquedevuelvenunsistemaasuestadooriginaldespusdeunaseriedefases,demaneraquetodaslasvariablestermodinmicasrelevantesvuelvenatomarsusvaloresoriginales.Enunciclocompleto,laenergainternadeunsistemanopuedecambiar,puestoqueslodependededichasvariables.Portanto,elcalortotalnetotransferidoalsistemadebeserigualaltrabajototalnetorealizadoporelsistema.

Unmotortrmicodeeficienciaperfectarealizarauncicloidealenelquetodoelcalorseconvertiraentrabajomecnico.ElcientficofrancsdelsigloXIXSadiCarnot,queconcibiunciclotermodinmicoqueconstituyeelciclobsicodetodoslosmotorestrmicos,demostrquenopuedeexistiresemotorperfecto.Cualquiermotortrmicopierdepartedelcalor

suministrado.Elsegundoprincipiodelatermodinmicaimponeunlmitesuperioralaeficienciadeunmotor,lmitequesiempreesmenordel100%.LaeficiencialmitesealcanzaenloqueseconocecomociclodeCarnot.

CiclodeCarnot

ElcicloidealdeCarnotfuepropuestoporelfsicofrancsSadiCarnot,queviviaprincipiosdelsigloXIX.UnamquinadeCarnotesperfecta,esdecir,conviertelamximaenergatrmicaposibleentrabajomecnico.Carnotdemostrquelaeficienciamximadecualquiermquinadependedeladiferenciaentrelastemperaturasmximaymnimaalcanzadasduranteunciclo.Cuantomayoresesadiferencia,mseficienteeslamquina.Porejemplo,unmotordeautomvilseramseficientesielcombustiblesequemaramayortemperaturaolosgasesdeescapesalieranamenortemperatura.

Terceraleydelatermodinmica

Eltercerprincipiodelatermodinmicaseenunciacomolavariacindeentropaasociadaacualquierprocesotermodinmicotiendeacerocuandolatemperaturatiendealceroabsoluto.Esdecir,siemprequelatemperaturaseasuperioralceroabsoluto(273C)seproducirnprocesostermodinmicosirreversiblesconcrecimientodeentropa.

Lasconsecuenciasdeestaslimitacionessonclaras:todoslosprocesostermodinmicosenfraneluniverso.Laenergatrmicaesunaenergamsdegradadacuantomenoreslatemperaturadelmedioquelasustenta.Amenortemperatura,supotencialdesertransformadaentrabajoesmenor.Porotrolado,amenortemperatura,laenergaacumuladaenunaciertacantidaddemasaesmenor.Serequieremsmasaparaacumularunaciertacantidaddeenerga.

Elsegundoprincipiosugierelaexistenciadeunaescaladetemperaturaabsolutaconunceroabsolutodetemperatura.Eltercerprincipiodelatermodinmicaafirmaqueelceroabsolutonopuedealcanzarseporningnprocedimientoqueconstedeunnmerofinitodepasos.Esposibleacercarseindefinidamentealceroabsoluto,peronuncasepuedellegaral.

FundamentosMicroscpicosdelatermodinmica

Eldescubrimientodequetodalamateriaestformadapormolculasproporcionunabasemicroscpicaparalatermodinmica.Unsistematermodinmicoformadoporunasustanciapurapuededescribirsecomounconjuntodemolculasiguales,cadaunadelascualestieneunmovimientoindividualquepuededescribirseconvariablesmecnicascomolavelocidadoelmomentolineal.Enesecaso,deberaserposible,almenosenprincipio,calcularlaspropiedadescolectivasdelsistemaresolviendolasecuacionesdelmovimientodelasmolculas.Enesesentido,latermodinmicapodraconsiderarsecomounasimpleaplicacindelasleyesdelamecnicaalsistemamicroscpico.

Losobjetosdedimensionesnormales,aescalahumana,contienencantidadesinmensasdemolculas(delordende1024).Suponiendoquelasmolculasfueranesfricas,haranfaltatresvariablesparadescribirlaposicindecadaunayotrastresparadescribirsuvelocidad.Describirasunsistemamacroscpicoseraunatareaquenopodrarealizarnisiquieralamayorcomputadoramoderna.Adems,unasolucincompletadeesasecuacionesnosdiradndeestcadamolculayquesthaciendoencadamomento.Unacantidadtanenormedeinformacinresultarademasiadodetalladaparasertilydemasiadofugazparaserimportante.

Porellosedisearonmtodosestadsticosparaobtenerlosvaloresmediosdelasvariablesmecnicasdelasmolculasdeunsistemaydeducirdeelloslascaractersticasgeneralesdelsistema.Estascaractersticasgeneralesresultanserprecisamentelasvariablestermodinmicasmacroscpicas.Eltratamientoestadsticodelamecnicamolecularsedenominamecnicaestadstica,yproporcionaalatermodinmicaunabasemecnica.

Desdelaperspectivaestadstica,latemperaturarepresentaunamedidadelaenergacinticamediadelasmolculasdeunsistema.Elincrementodelatemperaturareflejaunaumentoenlaintensidaddelmovimientomolecular.Cuandodossistemasestnencontacto,setransfiereenergaentresusmolculascomoresultadodelascolisiones.Estatransferenciacontinahastaquesealcancelauniformidadensentidoestadstico,quecorrespondealequilibriotrmico.Laenergacinticadelasmolculastambincorrespondealcalor,y,juntoconlaenergapotencialrelacionadaconlasinteraccionesentrelasmolculas,constituyelaenergainternadeunsistema.

Laconservacindelaenerga,unaleybienconocidaenmecnica,setransformaenelprimerprincipiodelatermodinmica,yelconceptodeentropacorrespondealamagnituddeldesordenaescalamolecular.Suponiendoquetodaslascombinacionesdemovimientosmolecularessonigualesdeprobables,latermodinmicademuestraquecuantomsdesordenadoseaelestadodeunsistemaaislado,existenmscombinacionesquepueden

darlugaraeseestado,porloqueocurrirconunafrecuenciamayor.Laprobabilidaddequeseproduzcaelestadomsdesordenadoesabrumadoramentemayorqueladecualquierotroestado.Estaprobabilidadproporcionaunabaseestadsticaparadefinirelestadodeequilibrioylaentropa.

Porltimo,latemperaturapuededisminuirseretirandoenergadeunsistema,esdecir,reduciendolaintensidaddelmovimientomolecular.Elceroabsolutocorrespondealestadodeunsistemaenelquetodossuscomponentesestnenreposo.Sinembargo,esteconceptopertenecealafsicaclsica.Segnlamecnicacuntica,inclusoenelceroabsolutoexisteunmovimientomolecularresidual.Unanlisisdelabaseestadsticadeltercerprincipiosesaldradeloslmitesdeestadiscusin.

Entalpa

Cantidaddeenergadeunsistematermodinmicoquestepuedeintercambiarconsuentorno.

Porejemplo,enunareaccinqumicaapresinconstante,elcambiodeentalpadelsistemaeselcalorabsorbidoodesprendidoenlareaccin.Enuncambiodefase,porejemplodelquidoagas,elcambiodeentalpadelsistemaeselcalorlatente,enestecasoeldevaporizacin.Enunsimplecambiodetemperatura,elcambiodeentalpaporcadagradodevariacincorrespondealacapacidadcalorficadelsistemaapresinconstante.EltrminodeentalpafueacuadoporelfsicoalemnRudolfJ.E.Clausiusen1850.Matemticamente,laentalpasedefinecomo:

DondeUeslaenergainterna,peslapresinyVeselvolumen.Hdeunsistemaysemidejulios.

Enunareaccinqumicarealizadaapresinconstanteelcambiodeentalpa,eselcambioenlaenergainternamseltrabajorealizadoporelcambiodevolumen.

ConclusinLatermodinmicapuedellegarhaserdificilyaquenosoncosastangibles(comonoencontrarimagenes,parapoderintroducirlasenestetrabajo),tienenqueirmsdelentendimientoyelaprendizajedelosconceptosdadosenesteinformecomoelcalorolaentropaylasleyesoprincipios.Poresperopersonalmentequelogrenelobjetivoquemepropuseenlaintroduccin,poderentregarelconocimientolomscerteroposiblesobreestetematanimportantequeeslatermodinmica.Asselepuedeserposibleentenderlostresprincipiosdadosdelatermodinmicamaslasdefiniciones,aprenderlostressistemasmacroscpicocerrado,aisladoyabierto.Loimportantequeeslatemperaturacomoenergaysusderivadoscomoeltrabajooeljoulemsconelconocimientodadoenesteinformebastarnparalograrmiobjetivo.Muchasgraciasporleerlo.