UNIVERSIDAD NACIONAL DE ANCASH SANTIAGO ANTNEZ DE MAYOLO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE ANCASH SANTIAGO ANTNEZ DE MAYOLO

FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS, GEOLOGA Y METALURGIA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS

TERMODINMICA

DOCENTE : .. ALUMNO : Chaicha Snchez quiqueCDIGO : 092.0103.285CURSO : FISICA II

HUARAZ-ANCASH-PER

2015INTRODUCCIN

TERMODINMICA: campo de la fsica que describe y relaciona las propiedades fsicas de sistemas macroscpicos (conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable) de materia y energa. El estado de un sistema macroscpico en equilibrio puede describirse mediante variables termodinmicas, propiedades medibles como la temperatura, la presin o el volumen. Es posible identificar y relacionar entre s muchas otras variables (como la densidad, el calor especfico, la compresibilidad o el coeficiente de expansin trmica), con lo que se obtiene una descripcin ms completa de un sistema y de su relacin con el entorno. Cuando un sistema macroscpico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinmico.

OBJETIVOSObjetivo General:Alcanzar la comprensin de la primera ley de la termodinmica, estudiando el equilibrio de energa y mecanismos de transferencia de la misma hacia o desde un sistema.

Objetivos Especfico1. Distinguir y relacionar conceptos termodinmicos.2. Definir y ofrecer ejemplos ilustrados de procesos termodinmicos.MARCO TEORICOLA TERMODINMICA, estudia el flujo de calor adems de la conversin en trabajo mecnico y en general la conversin de una forma de energa en otra. Campo de la fsica que describe y relaciona las propiedades fsicas de la materia de los sistemas macroscpicos, as como sus intercambios energticos. Los principios de la termodinmica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniera. Por convivencia las formas de energa se dividen en dos partes

CALOR (Q)._forma de energa que se propaga bajo la cada de la

temperatura

TEMPERATURA (W)._son todas las formas de energas diferentes al calor

Ejemplo: energa elctrica

SISTEMAS TERMODINMICOS:Un sistema termodinmico, es todo sistema macroscpico limitado por una superficie cerrada real (pared) o ficticia. Lo que queda fuera de la superficie frontera se denomina medio exterior.

Porcin de universo que se toma como motivo de estudio

CLASES DE SISTEMAS TERMODINMICOS: -Sistemas cerrados: Sus paredes no permiten el paso de materia, pero s el de energa. Son los sistemas ms frecuentes, construidos en vidrio, plstico, metales, etc.: tubos de ensayo, matraces, vasos, etc. Las paredes de estos sistemas no permiten obviamente el paso de materia (son paredes impermeables), pero permiten el intercambio de energa, por ejemplo en forma de calor. A estas paredes se las llama diatrmicas (aunque todos tenemos una idea intuitiva de lo que es calor, esta idea suele ser bastante vaga, y a veces alejada de lo que en termodinmica se entiende por calor, de forma que ms adelante hablaremos del calor con ms precisin). Cuando el sistema no intercambia materia con sus limitantes, pero si pueden intercambiar energa.-Sistemas abiertos: Adems de la energa, sus paredes permiten tambin el paso de materia. Se trata de paredes permeables. El ejemplo ms frecuente es el constituido por una clula. La pared celular permite el intercambio de energa y de materia.

-Sistemas aislados: Se dice que est aislado, cuando no puede existir ningn contacto entre l y su medio exterior. Cuando el sistema no intercambia ni materia ni energa con sus limitantes.TRABAJO TERMODINMICO:

Se define el trabajo termodinmico realizado sobre un sistema cerrado en un proceso cualquiera como el trabajo realizado por las fuerzas que ejerce el medio exterior sobre el sistema en el proceso.

En muchos procesos infinitesimales, el trabajo puede expresarse como:

Donde: x e y son variables termodinmicas del sistema denominadas, respectivamente, coordenada de trabajo y variable conjugada.

Seguidamente se tratan diferentes sistemas para los que se deducen cules son las coordenadas de trabajo y cules son las variables conjugadas.

TRABAJO TERMODINMICO EN UN PROCESO INFINITESIMAL EN EL QUE VARA:

El volumen de un sistema expansivo homogneo.V, volumen

P, presin.

El rea de una interfaseA, el rea de la interfase

, el coeficiente de tensin superficial

La longitud de una varilla elstica en un proceso infinitesimal.

Cuando la longitud de la varilla sea mucho mayor que su grosor

- En caso contrario cuando no es vlida esta aproximacin.

, la tensin a la que est sometida la varilla. L, la longitud

, esfuerzo longitudinal.

V0 , producto del volumen inicial por la deformacin longitudinal

La polarizacin de un dielctrico homogneo e istropo en un campo electrosttico uniforme.P, polarizacin total de la muestra

E, campo electrosttico en la muestra.

La magnetizacin de una sustancia paramagntica homognea en un campo magntico uniforme.M, momento magntico total de la muestra

B, induccin magntica en la muestra

La fuerza electromotriz de una pila electroqumica.Z, estado de carga de la pila

, fuerza electromotriz de la misma.

ESTADO TERMODINMICO:

Queda definido cuando se hace mencin de un nmero mnimo de propiedades de un sistema .El estado termodinmico se define en toda su plenitud cuando de hace mencin a las cuatro propiedades puntuales como: volumen, presin, composicin y temperatura Si el sistema es homogneo y esta constituido por una sola sustancia se descarta la composicin.PROCESO TERMODINMICO:

Es un cambio de estado con la diferencia que en este caso se controla como presin, la temperatura o volumen del sistema varia como el tiempo. Es decir un proceso termodinmico estudia el mecanismo de dicho proceso.CLASES DE PROCESOS TERMODINMICOS:

-Proceso isotrmico: Cuando la temperatura del sistema permanece constante en tanto ocurre el cambio.

Ejemplo:

Ebullicin del aguaEn una vasija con agua que tiene un termmetro y se encuentra sobre una cocinilla encendida, se puede observar que una vez alcanzada la temperatura de ebullicin sta se mantiene constante aunque el agua contina recibiendo calor de la cocinilla.

Fusin del hieloSe coloca hielo en una vasija que contiene agua. Se observa que la temperatura del agua alcanza 0 C. Esta temperatura se mantiene constante durante el proceso de fusin del hielo.

-Proceso isobrico: Cuando, la presin = constante, del sistema mientras ocurre el cambio de estado. Ejemplo:

Olla a presin, segunda etapaEl proceso trmico que se desarrolla en una olla presin de uso domstico, cuando ha entrado en funcionamiento la vlvula, corresponde a un proceso que mantiene una presin constante.-Proceso isocrico: Cuando, el volumen = constante, del sistema durante el cambio de estado .Ejemplo:

Olla a presin, primera etapaEl proceso trmico que se desarrolla en una olla presin de uso domstico, desde el momento que se coloca al fuego hasta que escapa por primera vez aire a travs de la vlvula, corresponde a un proceso a volumen constante.-Proceso adiabtico: Cuando no hay intercambio de energa calorfica entre el sistema y sus limitantes durante el cambio de estado .Ejemplo:

Destape de una botella de refrescoAl destapar una botella se refresco el gas contenido en ella se expande en un periodo de tiempo muy corto, por lo cual no alcanza a haber intercambio de calor con el medio, por lo tanto dicho proceso se puede considerar una expansin adiabtica que enfra el gas y condensa el aire en contacto con l.

Extintor de incendiosExiste un tipo de extintores de incendio que contienen dixido de carbono a alta presin. Al usar dichos extintores se libera el gas contenido en ellos en un proceso de expansin adiabtica que hace que el gas salga a una baja temperatura.

-Proceso reversible: Se manifiesta cuando el sistema experimenta un conjunto de estado de equilibrio mientras ocurre el cambio de estado-Proceso cclico: Cuando el sistema retorna a su estado original, luego de experimentar un conjunto de cambios de estado

PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA:

La primera ley no es otra cosa que el principio de conservacin de la energa aplicado a un sistema de muchsimas partculas. A cada estado del sistema le corresponde una energa interna U. Cuando el sistema pasa del estado A al estado B, su energa interna cambia en

U=UB-UA

Supongamos que el sistema est en el estado A y realiza un trabajo W, expandindose. Dicho trabajo mecnico da lugar a un cambio (disminucin) de la energa interna de sistema

U = -W

Tambin podemos cambiar el estado del sistema ponindolo en contacto trmico con otro sistema a diferente temperatura. Si fluye una cantidad de calor Q del segundo al primero, aumenta su energa interna en

U=Q

Si el sistema experimenta una transformacin cclica, el cambio en la energa interna es cero, ya que se parte del estado A y se regresa al mismo estado, U=0. Sin embargo, durante el ciclo el sistema ha efectuado un trabajo, que ha de ser proporcionado por los alrededores en forma de transferencia de calor, para preservar el principio de conservacin de la energa, W = Q.

Si la transformacin no es cclica U ( 0

Si no se realiza trabajo mecnico U=Q

Si el sistema est aislado trmicamente U=-W

Si el sistema realiza trabajo, U disminuye

Si se realiza trabajo sobre el sistema, U aumenta

Si el sistema absorbe calor al ponerlo en contacto trmico con un foco a temperatura superior, U aumenta.

Si el sistema cede calor al ponerlo en contacto trmico con un foco a una temperatura inferior, U disminuye.

Todos estos casos, los podemos resumir en una nica ecuacin que describe la conservacin de la energa del sistema.

U=Q-W

Si el estado inicial y final estn muy prximos entre s, el primer principio se escribe;

D u = d Q- p d V

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA:

En un sentido general, la segunda ley de la termodinmica afirma que las diferencias entre sistemas en contacto tienden a igualarse. Las diferencias de presin, densidad y, particularmente, las diferencias de temperatura tienden a ecualizarse. Esto significa que un sistema aislado llegar a alcanzar una temperatura uniforme. Una mquina trmica es aquella que provee de trabajo eficaz gracias la diferencia de temperaturas de dos cuerpos. Dado que cualquier mquina termodinmica requiere una diferencia de temperatura, se deriva pues que ningn trabajo til puede extraerse de un sistema aislado en equilibrio trmico, esto es, requerir de la alimentacin de energa del exterior. La segunda ley se usa a menudo como la razn por la cual no se puede crear una mquina de movimiento perpetuo.

La segunda ley de la termodinmica ha sido expresada de muchas maneras diferentes. Sucintamente, se puede expresar as:

*Es imposible, mediante un proceso cclico, tomar calor de un depsito y convertirlo en trabajo sin que al mismo tiempo no exista transferencia de calor desde un depsito caliente a otro fro (Lord Kelvin).

*Es imposible transferir calor desde un depsito fro a uno caliente sin que al mismo tiempo se convierta cierta cantidad de trabajo en calor (Clausius).

Grficamente se puede expresar imaginando una caldera de un barco de vapor. sta no podra producir trabajo si no fuese porque el vapor se encuentra a temperaturas y presin elevadas comparadas con el medio que la rodea.

Matemticamente, se expresa as:

Dnde: S es la entropa y el smbolo de igualdad slo existe cuando la entropa se encuentra en su valor mximo (en equilibrio).

Una mala interpretacin comn es que la segunda ley indica que la entropa de un sistema jams decremento. Realmente, indica slo una tendencia, esto es, slo indica que es extremadamente improbable que la entropa de un sistema cerrado decrezca en un instante dado.

MQUINA DE CALOR:

Es un sistema que realiza un trabajo mecnico sobre otros sistemas absorbiendo calor desde un foco caliente.

La mquina de Carnot, es una mquina ideal que utiliza calor para realizar un trabajo. En ella hay un gas sobre el que se ejerce un proceso cclico de expansin y contraccin entre dos temperaturas. El ciclo termodinmico utilizado se denomina ciclo de Carnot y fue estudiado por Sadi Carnot alrededor de 1820. Una mquina de Carnot es el procedimiento ms eficaz para producir un trabajo a partir de dos focos de temperatura.

Puede construirse a partir de un cilindro sobre el que discurre un pistn unido a una biela que convierte el movimiento lineal del pistn en movimiento circular. El cilindro contiene una cierta cantidad de un gas ideal y la mquina funciona intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes T1 < T2. Las transferencias de calor entre las fuentes y el gas se hace isotrmicamente, es decir, manteniendo la temperatura constante. Esta parte del proceso es, por lo tanto, reversible. El ciclo se completa con una expansin y una compresin adiabticas, es decir, sin intercambio de calor, por lo que esta parte del ciclo es tambin reversible.

Ciclo de Carnot: Es un ciclo reversible que se representa en un diagrama p v (presin en funcin del volumen) que si bien tiene sus lmites en la capacidad que posee un sistema en convertir calor en trabajo, es utilizado en mquinas que usan vapor o una mezcla de combustible (con aire oxgeno).

a B: El gas est en un estado de equilibrio inicial representado por p1, V1, T1 dentro del cilindro anteriormente descrito. Dejamos que el gas se dilate lentamente hasta p2, V2, T1. Durante el proceso el gas absorbe energa calrica Q1. La dilatacin es isotrmica a T1 y el gas trabaja elevando al pistn y a su carga.

b c: Ponemos el cilindro sobre una base no conductora y permitimos que el gas se dilate hasta p3, V3, T2. La dilatacin es adiabtica por que no entra ni sale calor del sistema. El gas efecta un trabajo elevando el mbolo y su temperatura disminuye hasta T2.

c d: Ponemos el cilindro sobre un depsito de calor (ms fro) T2 y comprimimos el gas lentamente hasta p4, V4, T2. Durante ese proceso se transfiere una determinada cantidad de energa calrica Q2 del gas al depsito. La compresin es isotrmica a T2 y se efecta trabajo sobre el gas a travs del pistn y de su carga.

d a: Ponemos al cilindro en un soporte no conductor y comprimimos lentamente hasta su posicin inicial p1, V1, T1. La compresin es adiabtica, se efecta trabajo sobre el gas y su temperatura se eleva hasta T1.

El trabajo neto W efectuado por el sistema durante el ciclo est representado por el rea encerrada en la trayectoria abcd. La cantidad de energa calrica neta recibida por el sistema se obtiene por la diferencia entre Q2 y Q1.

Como el estado inicial y final es el mismo, no hay cambio en la energa interno U del sistema. Por lo tanto, segn la primera ley de termodinmica: W = Q1 Q2.

MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA:

Motor antiguo, de aviacin, con disposicin radial de los pistones.

Un motor de combustin interna, es un tipo de mquina que obtiene energa mecnica directamente de la energa qumica producida por un combustible que arde dentro de una cmara de combustin, la parte principal de un motor.

Se utilizan motores de combustin interna de cuatro tipos:

El motor cclico Otto, cuyo nombre proviene del tcnico alemn que lo invent, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automocin y aeronutica.

El motor disel, llamado as en honor del ingeniero alemn Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasleo. Se emplea en instalaciones generadoras de electricidad, en sistemas de propulsin naval, en camiones, autobuses y algunos automviles. Tanto los motores Otto como los diesel se fabrican en modelos de dos y cuatro tiempos.

El motor rotatorio.

La turbina de combustin.

Para tipos de motores que utilizan la propulsin a chorro, ver coheteENTROPA:La entropa, como todas las variables de estado, depende slo de los estados del sistema, y debemos estar preparados para calcular el cambio en la entropa de procesos irreversibles, conociendo slo los estados de principio y al fin.

Es una propiedad termodinmica o funcin termodinmica propuesta por Clausius cuyo significado en griego es cambio , es una funcin de estado que pende solo de las condiciones iniciales y finales del sistema

LEY CERO DE LA TERMODINMICASi un sistema est en equilibrio trmico con otro, y este est en equilibrio con un tercero, entonces el primero y el tercero estn en equilibrio trmico; la energa de dos cuerpos se intercambia hasta que su temperatura sea el mismo al entorno.

A este principio tambin se llama EQUILIBRIO TRMICO

LEY CERO DE LA TERMODINMICAEsto posibilita construir instrumentos para medir la temperatura de un sistema.

Representacin esquemtica de la Ley Cero de la Termodinmica

Ejemplo de ley Cero: cuando el agua (sistema A) establece contacto con el hielo (sistema B), ambos intentan llegar a un equilibrio termodinmico. A su vez, estos dos sistemas buscan el equilibrio termodinmico con un tercer sistema, el aire (sistema C), por lo que en algn momento los tres sistemas alcanzarn este equilibrio.

PRIMERA LEY TERMODINMICA (Antoine Lavoisier) La energa no se crea ni se destruye, slo se transforma. La energa total del universo permanece constante. La variaciones de energa en un sistema cerrado es causada por el intercambio de energa con lo que le rodea (ambiente).

PRIMERA LEY DE TERMODINAMICA

Si se transfiere calor Q, desde el entorno o medio ambiente a un sistema, la energa interna U, aumenta en una cantidad U, y al mismo tiempo, parte del calor puede invertirse en realizar un trabajo W, sobre el medio.

REVERSIBILIDAD Se denominan procesos reversibles a aquellos que hacen evolucionar a un sistema termodinmico desde un estado de equilibrio inicial a otro nuevo estado de equilibrio final a travs de infinitos estados de equilibrio.

CONCLUCIONES

La primera ley se basa en el principio de la conservacin de la energa. La energa de un sistema puede aumentar o disminuir de dos formas diferentes: Calor o Trabajo. Para que exista transferencia de calor es necesario que exista una diferencia de temperatura. En un proceso adiabtico no existe transferencia de calor.BIBLIOGRAFA

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