TERMODINÁMICA.

Es  la parte de la física que estudia los fenómenos en los que existe transformaciones de energía mecánica en calorifica o viceversa, fenómenos que reciben el nombre de transformaciones termodinámicas.
Se dice  que un sistema  realiza una transformación  termodinámica cuando intercambia  energía  con el exterior , pasando de un estado inicial a un estado final.
A} Sistema termodinámico:
Para que pueda  tener lugar  una transformación  termodinámica , se precisa de un cuerpo  o conjunto  de cuerpos, en los que se verifiquen  los procesos que dan lugar  al intercambio energético.
Sistema  termodinámico  es el cuerpo o , conjunto  de cuerpos , sobre el que tiene  lugar una transformación  termodinámica.
Aunque una transformación  termodinámica  puede afectar a cuerpos en cualquier  estado fisico , se considera  únicamente  el caso  más importante , que es aquel en el que el sistema  termodinámico  se encuentra  en estado gaseoso.
B } Variables termodinámicas 
Son todas las magnitudes  que intervienen  en una transformación  termodinámica . Son variables  termodinámicas  la presión , el volumen,  la temperatura , la cantidad  de calor etc.
Energía interna.
Hay  que referirse  a la energía  que un cuerpo  posee en su interior se utiliza el término energía  interna.
{ el calor debe ser considerado  como una forma particular  de energía }.
La energía interna   representa  la suma de la energía  cinética  y potencial de todas la moléculas  que constituyen el cuerpo.
Energia   interna  de un cuerpo  es la energia total  que poseen  sus moléculas. Se  representa por  U.
El valor  de la energía  interna de un sistema  depende exclusivamente  de las variables  que caracterizan el estado del sistema  : presión, volumen, temperatura etc.
Cuando  el cuerpo  se calienta , aumenta  la amplitud  de las vibraciones  de sus partículas , lo que se traduce  en un aumento  de  la energia interna del  mismo.
Si  se sigue  suministrando  calor, la amplitud  de la vibraciones   sigue aumentando, hasta que llega  a hacerse tan grande  que se rompe la  fuerza  de cohesión  entre las  moléculas . El cuerpo deja de ser sólido
y pasa al estado  líquido , verificandose el fenómeno  que recibe  el nombre de FUSIÓN.
Algunas  de las moléculas  del líquido , en su movimiento  de traslación , llegan a la superficie libre  y saltan  al exterior , pasando  al estado gaseoso  mediante  el fenómeno  conocido  con el nombre  de EVAPORIZACIÓN. Si  se continua  suministrando  calor al gas , sus moléculas  aumentan de velocidad , creciendo-- en consecuencia-- su energía  interna.
PRIMER PRINCIPIO  DE LA TERMODINÁMICA.
La  formulación  del  principio general  de conservación  de la energía , según el cual  ésta  no se crea ni se destruye , aunque si puede  transformarse  de una forma  a otra . Es decir, que siempre  que  desaparece  una cantidad  de cierta clase  de energía  aparece  una cantidad   exactamente equivalente  de otra clase.
Pues bién , el primer principio  de la termodinámica  no es sino la aplicación  de dicho principio  general  a la  interconversión  concreta calor -- trabajo
Cuyo  enunciado es el siguiente " La cantidad de calor  Q suministrada  a un sistema  se invierte  en parte  en la realización  de un trabajo  externo L; siendo  el resto  absorbido  por el sistema  , ocasionando un aumento { DELTA} U de la energía interna del mismo."
Es decir  " El trabajo  suministrado  a un sistema  se invierte en parte en ceder  calor  al exterior  y en  un  aumento  de la energía interna del mismo."
Gas perfecto :  Es  un gas  ideal  cuyas  moléculas  no ocupan  volumen  propio  ni ejercen entre sí fuerzas de cohesión.;  un gas real  se parece  a una gas  perfecto  tanto más cuanto  menor  sea la presión , ya que en estas condiciones  es menor  el número  de moléculas por unidad de volumen , con lo que éstas ocupan  menos parte  del volumen  total y ---al encontrarse  muy separadas -- ejercen poca fuerza de cohesión.
LEY DE  LOS  GASES PERFECTOS .
Como ya se ha dicho , el gas  debe verificar  la ley  de BOYLE  y MARIOTTE , según la cual  " la presión  y el volumen de un gas a una determinada temperatura son inversamente   proporcionales. "
Por otra parte, si se calienta  el gas hasta una temperatura  T sin dejar que  el volumen  se altere .la presión  aumentará , debiéndose  verificar  la fórmula  de dilatación de los gases a volumen  constante.
Ecuación de estado de los gases  perfectos.
Se  deducirá  ahora otra forma de expresar  la ecuación  de los gases  perfectos , denominada ecuación  de estado,  de aplicación  más inmediata  en aquellos  casos en que  se desea relacionar  la masa  de un gas con su presión,  volumen y temperatura .
Sean  n  moles  de un gas , que , sometidos a una presión  p y a una temperatura  absoluta  T, ocupan  un volumen V.
Según el principio de  AVOGADRO ,enunciado  en Quimica , cualquier  gas en condiciones  normales de presión  y temperatura  ocupa un volumen  de 22,4 litros  por mol; en consecuencia, los   n  moles  presentes en la  muestra , si se hallan  a 273 °k de temperatura  y 1 atm de presión , ocuparán n mol, 22,4 l/ mol.
ENTALPIA.
Entalpía de un sistema  termodinámico  es la suma de su energía  interna más el producto de la presión  por el volumen. Se representa por  H.
H = U+p.v .
El primer principio  de la termodinámica  adopta diversas formas según  sea la naturaleza de la transformación  realizada por el gas, es decir, en función  de las condiciones  en que tiene lugar el intercambio de energía entre el sistema y el medio exterior.
Según la variable  termodinámica   que  permanezca  inalterable , se consideran  las siguientes  transformaciones.
------Transformaciones isóbara p = C { a presión  constante }
------Transformación  isócora :  V = C { a volumen constante }
-------Trasnformación  isoterma : T = C { a temperatura constante.}
-------Trasnformación  adiabática : Q= C { sin intervalo de calor }.
Transformación  isóbara.
Es aquella  en que la presión  permanece  constante, si en   la ley de los gases perfectos.
En una  transformación   isóbara  de un gas perfecto ,el volumen es directamente  proporcional  a la temperatura  absoluta.
Después  de  la transformación  isóbara,  la energía  interna pasa a ser U, la presión  permanece  inalterable  y el volumen  alcanza un valor  V, por lo que la entalpía  final del sistema es :
                                                  H= U+ p.v
Transformación  isócora .
Es aquella en la que  el volumen constante permanece constante, si en la ley de los gase perfectos.
En una transformación  isócora  de un gas  perfecto, la presión  es directamente  proporcional  a la temperatura  absoluta.
La consecuencia  de que el volumen no pueda cambiar  es que no cabe  posibilidad  de realizar trabajo  de expansión  ni de compresión del gas.
Si en un  diagrama   P/ V , se representa  la ecuación correspondiente  a una transformación  isócora :
V= constante.   resulta  una recta vertical.
En una  transformación  isócora , el calor  suministrado  al sistema  se emplea  integramente en incrementar  su energía interna . En el caso  en que sea  el gas  el que cede  calor , el calor cedido  por el sistema  repercute  en una dismunición  equivalente  de su energía  interna.
Transformación  isoterma .
Es aquella  en que  la temperatura  permanece constante . Si en la ley  de los gases perfectos.
En una trasnformación  isoterma  de un gas  perfecto,la presión  es inversamente  proporcional al volumen.
En una transformación  isoterma , el calor suministrado  al sistema  se emplea  integramente  en producir  trabajo mecánico.
Calores especificos  de los gases .
Se ha definido  el calor  especifico  de una sustancia  como la cantidad  de calor  que se necesita  para  elevar  1 °C la  temperatura  de un gramo de la misma .
Pues bien, los gases  presentan  dos valores  para su calor  especifico , dependiendo de las  condiciones  en que tiene lugar el aumento de su temperatura : a volumen constante o a presión  constante.
CALOR ESPECIFICO  A PRESIÓN CONSTANTE.
Es  el calor  suministrado  a una gramo  de gas  para que aumente  su temperatura  1 ° C ,cuando  la presión  del que  se mantiene  constante  mientras que tiene  lugar el aumento  de temperatura  se representa  por Cp y se mide en  cal / g .°C.
CALOR  ESPECIFICO  A VOLUMEN  CONSTANTE.
Es  el calor  que debe  suministrar  a un gramo  de un gas  para  que aumente  su temperatura  1 °C , cuando  el volumen del gas  se  mantiene  constante mientras  tiene lugar  el aumento de temperatura. Se  representa  por  Cv  y se mide en cal / g. °C.
Transformación adiabática.
Es aquella  en la que  no hay  intercambio  de calor  entre el sistema  y el medio exterior . Expresado de otro modo. " Transformación  adiabática es aquella en que la cantidad  de calor del sistema  permanece  constante ".
En una transformación  adiabática , el trabajo  realizado por el sistema  es igual a la disminución  de su energía interna.
SEGUNDO  PRINCIPIO  DE LA TERMODINÁMICA.
Hasta  ahora se ha hablado  del " calor  suministrado  a un sistema  " y del" trabajo  realizado por el sistema"
cosiderando  siempre  como positivas  las cantidades  que expresaban  dichas magnitudes.
Sin embargo , un sistema   puede desprender  calor en lugar  de recibirlo  y , a su vez , un trabajo puede ser realizado  " sobre "  el sistema  en lugar  de serlo  " por " el sistema.
Para poder  analizar  dichas  magnitudes  en este doble sentido , basta con establecer  para ambas  un coherente  convenio  de signos . Así ,en una transformación  termodinámica.
A } Una cantidad  de calor  se considera  positiva  cuando  es absorbida  por el sistema  y negativa  cuando es cedida  por el mismo.
B} Un trabajo  se considera  positivo  cuando es realizado  por el sistema  y negativo  cuando es realizado  sobre el mismo.
Ejemplos:  Cuando se comprime aire en el interior  de una bomba  de bicicleta , tapando con el dedo el orificio  de  salida ,se produce , a costa  del trabajo  mecánico  efectuado . calor, que absorbe  la atmósfera . En este caso.
-----El calor es  negativo  ya que es cedido  por el sistema .
-----El trabajo  mecánico  también  es negativo , ya que ha sido realizado sobre el sistema .
Por  lo que se   refiere  al trabajo  mecánico , su signo  puede también  establecerse  mediante  un criterio  geométrico, en lugar de energético.
En efecto , puesto que la realización  de un trabajo exige  forzosamente un desplazamiento , y como consecuencia , un  cambio de volumen , cuando  un gas se expande ,  está realizando  una fuerza  sobre el medio  exterior ; por consiguiente  el trabajo  es realizado  " por  " el gas  { es positivo } . Por el contrario , cuando  el gas se comprime , son las fuerzas exteriores  las que ejercen  una acción  sobre aquél . lo que supone  que el  trabajo  se realiza  " sobre " el sistema y , por lo tanto , es negativo . En consecuencia , se puede enunciar : En una transformación  termodinámica , el trabajo  es positivo  cuando el gas  se expande ; y es negativo , en caso contrario.
CICLO.
Ciclo es una transformación  termodinámica  que , una vez efectuada, repite  las condiciones  iniciales del sistema..
El trabajo  desarrollado  en un ciclo es igual al área encerrada en el interior del mismo.
Al  igual que en una transformación  abierta , el trabajo en un ciclo  puede ser  positivo o negativo:
--- si  se recorre el ciclo en el sentido de las agujas del reloj, el trabajo es positivo .
--por el contrario  , si el ciclo  es recorrido en sentido contrario al de las agujas del reloj, el trabajo es negativo.
DESARROLLO DEL SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.
El primer  principio  de la termodinámica  enuncia que en toda  transformación  se conserva  la energía , pero  no estable  ninguna limitación  en cuanto a la forma de llevar a cabo dicha transformación.
Si se pone un cuerpo  caliente   en contacto con otro  frío , la experiencia  dice que aumentará  la temperatura  del segundo y dismunuirá la del primero . Si  se establece  comunicación  entre  un recinto  que contiene un gas  a presión  alta y otro recinto en el que la presión  del gas es baja , se podrá afirmar  de antemano  que una corriente  gaseosa , dirigida del primer  recipiente  al  segundo, determinará  la igualdad de presiones , Obsérvese  que el primer principio  no se opone  a que el cuerpo  caliente  aumente la temperatura  a costa del cuerpo frío ; sólo exige que la  energía que el primero absorba  sea igual a la que el segundo suministra . También habrá contradicción  con el primer principio si la molécula de un gas  abandonansen la mitad del recipiente que ocupan y , dejándola vacía , se acumulasen en la otra mitad.
El principio  de conservación  dice que, en general , la energía  de un sistema  aislado  es la misma  en los estados  inicial  A y final  B , pero  no hace distinción  alguna  entre dichos estados  y considera  igualmente  posible  que el sistema  pase  del estado  A  al B  como que ,  desde el estado B , recobre al estado A.
Este criterio  lo suministra  un postulado  fundamental , que se conoce  como segundo principio  de la termodinámica , contenido en la siguiente afirmación." Es imposible  construir  una máquina de funcionamiento  cíclico  que produzca trabajo  intercambiando  calor con un sólo  manantial " . En otras palabras , no existe  ninguna  máquina  térmica  que transforme  integramente  en trabajo  el calor absorbido.
CICLO  DE CARNOT.
El rendimiento  de un determinado ciclo  depende del tipo   de  transformación  que lo constituye  y de las temperaturas  entre las que opera , lo que significa , en definitiva , que depende  de la forma  que presenta  el ciclo.
La importancia  del ciclo  de Carnot  radica  en el hecho  de ser  el de mayor  rendimiento  de entre todos aquellos  ciclos  que trabajan  entre las mismas  temperaturas.
ENTROPIA.
Una función  de estado del sistema  que tenga  un valor distinto  al principio  y al final de una transformación  dada. Se ha definido  una función  que  responde a estas condiciones  y que se ha llamado  entropia del sistema.
Igual que la energía , la entropia  es sólo una función  de estado del sistema ; aumenta o permanece   constante  en cada transformación  que se  produce  en un sistema aislado.
Mediante la noción de entropia se puede formular el segundo principio  de la termodinámica  de otra manera  " Las transformaciones  en las que la entropia  de un sistema  aislado disminuye  no son posibles "
" En cada  transformación  que se produce  en un sistema   aislado  la entropia  del sistema  aumenta  o permanece constante ".
Si un sistema aislado se encuentra  en un estado tal que su entropia  alcanza  su máximo, cualquier cambio  implica  una disminución  de la entropia  y no puede, pues producirse . Una condición  también necesaria  para que el sistema  se encuentre  en equilibrio  es que su entropia sea máxima .
La entropia , que se representa  por   S, no puede  calcularse en términos absolutos ; por ello, en la práctica
lo que se hace  es calcular el aumento de entropia  de un sistema  en un determinado proceso.
Cuando un sistema  termodinámico  recibe una cantidad de calor  Q a una temperatura  T, se dice que ha sufrido un aumento  de entropia.
El cálculo  de la variación  de entropia  que tiene lugar en una transformación  termodinámica requiere la utilización del cálculo  integral , ya  que ----en general -- la temperatura  varía durante el proceso; únicamente  en las transformaciones  isotermas, esto es , en las transformaciones  a temperatura constante , es posible calcular  el aumento de entropia mediante operaciones aritméticas.






















































































 






















 



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