Termodinámica: leyes, conceptos, fórmulas y ejercicios.

Termodinámica es un área de la física que estudia las transferencias de energía. Busca comprender las relaciones entre calor, energía y trabajo mediante el análisis de las cantidades intercambiadas de calor y el trabajo realizado en un proceso físico.

Termodin√°mica – Leyes y conceptos b√°sicos

La ciencia termodinámica fue desarrollada inicialmente por investigadores que buscaban una forma de mejorar las máquinas durante el período de la Revolución Industrial, mejorando su eficiencia.

Este conocimiento se aplica actualmente en diversas situaciones de nuestra vida diaria. Por ejemplo: máquinas térmicas y refrigeradores, motores de automóviles y procesos de procesamiento de mineral y petróleo.

Las leyes fundamentales de la termodin√°mica gobiernan la forma en que el calor se convierte en trabajo y viceversa.

Primera ley de la termodin√°mica

La primera ley de la termodinámica. Se relaciona con el principio de conservación de energía. Esto significa que la energía en un sistema no puede ser destruida o creada, solo transformada.

Cuando una persona usa una bomba para llenar un objeto inflable, está usando la fuerza para poner aire en el objeto. Esto significa que la energía cinética hace que el pistón baje. Sin embargo, parte de esta energía se convierte en calor, que se pierde en el medio ambiente.

La fórmula que representa la primera ley de la termodinámica es la siguiente:

őĒU=Q+W

őĒU= Cambio en la energ√≠a interna

Q= Calor a√Īadido al sistema

W= Trabajo efectuado por el sistema

Segunda ley de la termodin√°mica

Ejemplo de la segunda ley de la termodin√°mica.

Las transferencias de calor siempre ocurren desde el cuerpo más caliente al más frío, esto ocurre espontáneamente, pero no al revés. Esto significa que los procesos de transferencia de energía térmica son irreversibles.

Así, por la segunda ley de la termodinámica, no es posible que el calor se convierta completamente en otra forma de energía. Por esta razón, el calor se considera una forma degradada de energía.

Ley cero de la termodin√°mica

La ley cero de la termodinámica trata las condiciones para obtener el balance termal. Entre estas condiciones podemos mencionar la influencia de los materiales que hacen que la conductividad térmica sea mayor o menor.

De acuerdo con esta ley,

  1. si un cuerpo A está en equilibrio térmico en contacto con un cuerpo B y
  2. si este cuerpo A está en equilibrio térmico en contacto con un cuerpo C, entonces
  3. B está en equilibrio térmico en contacto con C.

Cuando dos cuerpos con diferentes temperaturas se ponen en contacto, el que está más caliente transferirá calor al que está más frío. Esto hace que las temperaturas alcancen incluso el equilibrio térmico..

Se llama ley cero porque su comprensión resultó necesaria para las dos primeras leyes que ya existían, la primera y la segunda ley de la termodinámica.

Tercera ley de termodin√°mica

La tercera ley de la termodinámica. Surge como un intento de establecer un punto de referencia absoluto que determina la entropía. La entropía es en realidad la base de la segunda ley de la termodinámica.

Nernst, el físico que lo propuso, concluyó que no era posible que una sustancia pura con temperatura cero tuviera entropía a un valor cercano a cero.

Por esta razón, es una ley controvertida, considerada por muchos físicos como una regla más que como una ley.

Sistemas termodin√°micos

En un sistema termodin√°mico puede haber uno o varios cuerpos relacionados. El entorno que lo rodea y el universo representan el entorno externo al sistema. El sistema se puede definir como: abierto, cerrado o aislado.

Cuando se abre el sistema, hay una transferencia de masa y energía entre el sistema y el entorno externo. En el sistema cerrado solo hay transferencia de energía (calor), y cuando está aislado no hay intercambio.

Comportamiento de gas

El comportamiento microsc√≥pico de los gases se describe e interpreta m√°s f√°cilmente que en otros estados f√≠sicos (l√≠quido y s√≥lido). Esta es la raz√≥n por la cual los gases se usan m√°s com√ļnmente en estos estudios.

En estudios termodin√°micos se utilizan gases ideales o perfectos. Es un modelo en el que las part√≠culas se mueven ca√≥ticamente e interact√ļan solo en colisiones. Adem√°s, estas colisiones entre las part√≠culas, y de ellas con las paredes del recipiente, se consideran el√°sticas y duran muy poco tiempo.

En un sistema cerrado, el gas ideal presupone un comportamiento que involucra las siguientes cantidades físicas: presión, volumen y temperatura. Estas variables definen el estado termodinámico de un gas.

La presión (p) se produce por el movimiento de las partículas de gas dentro del recipiente. El espacio ocupado por el gas dentro del contenedor es el volumen (v). Y la temperatura (t) está relacionada con la energía cinética promedio de las partículas de gas en movimiento.

Energía interna

La energía interna de un sistema es una cantidad física que ayuda a medir cómo pasan las transformaciones de un gas. Esta cantidad está relacionada con la variación de la temperatura y la energía cinética de las partículas.

Un gas ideal, formado por un solo tipo de átomo, tiene energía interna directamente proporcional a la temperatura del gas. Esto está representado por la siguiente fórmula:

Ejercicios resueltos

1 РUn cilindro de pistón móvil contiene un gas a una presión de 4.0.104 4N / m2. Cuando se suministran 6 kJ de calor al sistema a presión constante, el volumen de gas se expande en 1.0.10.-1m3. Determine el trabajo realizado y la variación de energía interna en esta situación.

 

Datos: P = 4.0.104 4 N / m2Q = 6KJ o 6000 J őĒV = 1.0.10-1 m3 T =? őĒU =?

Paso 1: Calcule el trabajo con los datos del problema.

T = P. őĒV T = 4.0.104 4. 1.0.10-1 T = 4000 J

Paso 2: Calcule la variación de la energía interna con los nuevos datos.

Q = T + őĒU őĒU = Q – T őĒU = 6000 – 4000 őĒU = 2000 J

Por lo tanto, el trabajo realizado es de 4000 J y la variación de energía interna es de 2000 J.

2 Р(Adaptado de ENEM 2011) Un motor solo puede realizar trabajo si recibe una cantidad de energía de otro sistema. En este caso, la energía almacenada en el combustible se libera parcialmente durante la combustión para que el aparato pueda funcionar. Cuando el motor está funcionando, parte de la energía convertida o transformada en combustión no se puede utilizar para realizar el trabajo. Esto significa que la energía se escapa en otra forma.

Seg√ļn el texto, las transformaciones de energ√≠a que ocurren durante la operaci√≥n del motor se deben a:

a) la liberación de calor dentro del motor es imposible.
b) el trabajo realizado por el motor es incontrolable.
c) la conversión integral de calor en trabajo es imposible.
d) la transformación de la energía térmica en cinética es imposible.
e) uso de la energía potencial del combustible para ser incontrolable.

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