S.A N° 07 "TERMODINÁMICA"

CALORIMETRÍA

En nuestra vida es muy común hablar de calor y de cambios de "estado", y como la lógica lo impone, es una necesidad el hacer mediciones de aquella forma de energía llamada energía calorífica, o simplemente calor.

 

El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

Conducción

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor.

                            

Convección

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección.

El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural.

                       

Radiación

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío, o bien que no exista materia entre ellas. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica.

LEYES DE LA TERMODINÁMICA

La termodinámica (del griego termo, que significa "calor" y dinámico, que significa "fuerza") es una rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el calor.

Específicamente, la termodinámica se ocupa de las propiedades macroscópicas (grandes, en oposición a lo microscópico o pequeño) de la materia, especialmente las que son afectadas por el calor y la temperatura, así como de la transformación de unas formas de energía en otras.

Las Leyes Termodinámicas pueden expresarse de la siguiente manera:

Ley Cero de la Termodinámica

A esta ley se le llama de "equilibrio térmico". El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura.

Esta ley dice "Si dos sistemas A y B están a la misma temperatura, y B está a la misma temperatura que un tercer sistema C, entonces A y C están a la misma temperatura". Este concepto fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición cero.

Un ejemplo de la aplicación de esta ley lo tenemos en los conocidos termómetros.

Primera Ley de la Termodinámica

El calor adquirido por un sistema se transforma en trabajo y cambia su energía interna.

DONDE:

Debemos de tener presente siempre los signos.

EJERCICIOS DE APLICACIÓN:

1. Un sistema termodinámico se expande realizando un trabajo de 300J y abosorbiendo 450J de calor, ¿En cuántos Joule cambió su energía interna?

a) +140J 

b) +150J

c) +160J

d) +170J

e) +180J

2. Un gas encerrado en un cilindro se expande realizando un trabajo de 20kJ , durante el cual logró ceder 15kJ de calor. ¿Qué le ocurrió a su energía interna?

a) Aumentó en 32 kJ

b) Disminuyó en 33 kJ

c) Aumentó en 34 kJ.

d) Disminuyó en 35 kJ

e) Aumentó en 36kJ.

3. En un sistema termodinámico se observa que el sistema libera 500J de calor y recibe un trabajo de 450J. ¿En cuántos joules cambió su energía interna?

a) +140

b) -50

c) +160

d) +170

e) +180

4. Un gas encerrado en un cilindro se expande isotérmicamente realizando un trabajo de 120kJ, ¿Cuánto calor absorbió o liberó en el proceso?

a) Absorbió 60kJ

b) Liberó 120kJ

c) Ni absorbió ni liberó.

d) Liberó en 60 kJ

e) Absorbió 120kJ.

5. Se tiene un sistema termodinámico que libera 520J de calor.Si su energía pasa de 300J a 480J. ¿Cuánto trabajo se realiza en el proceso? ¿lo consume o lo realiza el sistema?

a) Realiza 820J

b) Consume 1000J

c) Consume 700J

d) Realiza 340J

e) No se realiza trabajo por ser un proceso Isócoro.

Segunda Ley de la Termodinámica

La segunda ley dice que "solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno que tiene menor temperatura". Al respecto, siempre se observa que el calor pasa espontáneamente de los cuerpos "calientes" a los "fríos" hasta quedar a la misma temperatura.

La segunda ley de la termodinámica da, además, una definición precisa de una propiedad llamada entropía (fracción de energía de un sistema que no es posible convertir en trabajo)

Tercera Ley de la Termodinámica

El tercer principio de la termodinámica afirma que "el cero absoluto no puede alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él".

Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel cuántico.