Los principios de la termodinámica
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Los principios de la termodinámica
- 1. LOS PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA TEMA 8 Félix. Profesor de Tecnología Industrial 2 Bibliografía: Tecnología Industrial 2. Everest y McGrawhill y Grandes ideas de la física (Alan Lightman) también de McGrawhill
- 2. Introducción • El funcionamiento de las máquinas térmicas y frigoríficas se basan en los dos principios de la termodinámica. • Las máquinas térmicas son capaces de producir trabajo mecánico sin recurrir a fuente alguna de energía, o bien extrayendo energía de una sola fuente. • Como curiosidad señalar que la máquina de vapor fue construida con anterioridad al establecimiento de la termodinámica. En este caso la aplicación práctica (TÉCNICA) surgió antes que el descubrimiento teórico (CIENCIA),en otras ocasiones es la tecnología quien desarrolla y busca aplicaciones prácticas a un descubrimiento teórico. CIENCIA+TÉCNICA=TECNOLOGÍA
- 3. Calor y temperatura • El calor es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, es una energía en tránsito, por eso no tiene sentido hablar de calor almacenado en un cuerpo. ● La temperatura es una magnitud física que depende de la velocidad media de las partículas que constituyen el cuerpo (moléculas).Cuanto mayor sea la velocidad de las partículas mayor será su energía interna y por tanto su temperatura.
- 6. La termodinámica estudia las propiedades que se conocen como variables termodinámicas (composición y concentración de los componentes, presión, volumen, temperatura), que se refieren al comportamiento global de un número muy elevado de partículas y que definen el llamado estado del sistema. Cuando estas variables tienen un valor definido para cada estado del sistema sin depender de los procesos que este haya experimentado reciben el nombre de funciones de estado. El trabajo y el calor no son funciones de estado
- 8. TRANSFORMACIONES DE UN SISTEMA TERMODINÁMICO Las transformaciones de un sistema termodinámico desde un estado inicial a otro final pueden tener lugar de distintas formas que se representan gráficamente en un diagrama P-V. γ es el coeficiente adiabático y se calcula: CP/CV
- 9. Primer principio de la termodinámica En el ejemplo, al calentar el agua el tapón sale lanzado. El calor transmitido al agua se transforma en: -Lanzar el tapón (trabajo mecánico) -Aumentar la energía interna de las moléculas de agua
- 11. CALOR MOLAR (ESPECÍFICO) A PRESIÓN Y VOLUMEN CONSTANTE
- 12. Cálculo del trabajo de expansión, calor intercambiado y variación de energía interna en algunas transformaciones de gases ideales.
- 13. La variación de energía interna es independiente de las variaciones de presión y volumen. La energía interna sólo depende de la temperatura ejemplo página 153).
- 14. Q=Wexp
- 16. 2º Principio de la Termodinámica hay muchos enunciados equivalentes de la segunda ley de la termodinámica: (1) Un sistema aislado evoluciona de forma natural hacia las configuraciones más probables. (2) Un sistema aislado evoluciona de forma natural hacia la redistribución de la energía disponible equitativamente entre sus partes. (3) En los sistemas aislados, el calor fluye de los cuerpos calientes a los fríos. (4) La capacidad de un sistema aislado de convertir calor en trabajo decrece constantemente. (el trabajo en calor si puede transformarse íntegramente) (5) Aunque la energía se conserva, la energía disponible en cualquier sistema aislado siempre disminuye. (6) Los sistemas aislados evolucionan en el sentido en el que incrementan su entropía (disminuyen su orden).
- 17. Segundo principio de la termodinámica
- 18. Hay que darse cuenta de que la energía calorífica puede utilizarse para elevar una masa y realizar trabajo, sólo porque había una diferencia de temperaturas entre los dos gases. Si inicialmente los gases hubieran estado a la misma temperatura, entonces el sistema habría estado en equilibrio y no habría habido flujo de calor. Podría existir una gran cantidad de energía calorífica presente en ambos gases, en forma de movimientos moleculares, pero la energía no podría utilizarse para realizar trabajo. Si el calor no fluye, el peso no se puede elevar. NO EXISTE UNA MÁQUINA CAPAZ DE CONVERTIR EL CALOR EN TRABAJO A EXPENSAS DE UNA SOLA FUENTE
- 19. CONSECUENCIAS A NIVEL GLOBAL Ya que el calor fluye continuamente de los cuerpos calientes a los fríos en todos los lugares del universo, como dice la segunda ley de la termodinámica, el universo pierde gradualmente su capacidad de realizar trabajo. La cantidad total de energía disponible disminuye constantemente. No sólo es que todas las máquinas del universo se estén descargando, sino que además la capacidad de reconvertir el calor resultante en trabajo se reduce con el tiempo. No hay forma de eludir la unidireccionalidad de la segunda ley de la termodinámica. Esta implicación sorprendente de la segunda ley, que ha intrigado y alarmado a la gente desde mediados del siglo xIx, se ha denominado la «muerte térmica» del universo. Aún se debate entre los físicos de qué manera se aplica la segunda ley de la termodinámica al universo como un todo.
- 20. Máquinas térmicas El deseo de construir máquinas tan eficientes como fuera posible fue el motivo de gran parte de la comprensión de la segunda ley. La primera de estas investigaciones la realizó el científico, físico e ingeniero francés Sadi Carnot (memoria clásica «Reflections on the Motive Power of Fire(*)» (1824) )una vez que la revolución industrial estaba a pleno ritmo. En particular, Carnot quería saber la eficiencia teórica máxima de una máquina térmica (dispositivo que puede realizar trabajo movido por calor, llamado motor térmico.) (*)Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia
- 21. Ciclo de CARNOT Muchas máquinas térmicas funcionan según el ciclo de Carnot, recibiendo calor de un foco de alta temperatura y expulsándolo a otro de menor temperatura, a expensas de realizar un trabajo
- 22. Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.
- 23. La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente • Tramo A-B Expansión isoterma a la temperatura T1 • Tramo B-C Expansión adiabática • Tramo C-D Compresión isoterma a la temperatura T2 • Tramo D-A Compresión adiabática
- 24. En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales: -La presión, volumen de cada uno de los vértices. -El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos. -El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo. Los datos iniciales son los que figuran en la tabla adjunta. A partir de estos datos, hemos de rellenar los huecos de la tabla.
- 25. Las etapas del ciclo Transformación A->B (isoterma) Transformación B->C (adiabática)
- 26. Transformación C->D (isoterma) Transformación D->A (adiabática)
- 28. La entropía es una magnitud que determina el grado de desorden de un sistema. ΔS=Q/T La tendencia en la naturaleza es a evolucionar a estados de mayor desorden
- 29. En el próximo tema veremos las aplicaciones del ciclo de Carnot: Máquina térmica y máquina frigorífica Ver animación
- 30. Máquina térmica Un motor de Carnot es un dispositivo ideal que describe un ciclo de Carnot. Trabaja entre dos focos, tomando calor Q1 del foco caliente a la temperatura T1, produciendo un trabajo W, y cediendo un calor Q2 al foco frío a la temperatura T2. En un motor real, el foco caliente está representado por la caldera de vapor que suministra el calor, el sistema cilindro-émbolo produce el trabajo y se cede calor al foco frío que es la atmósfera.
- 31. Máquina de vapor
- 32. Máquina frigorífica La máquina de Carnot también puede funcionar en sentido inverso, denominándose entonces frigorífico. Se extraería calor Q2 del foco frío aplicando un trabajo W, y cedería Q1 al foco caliente. En un frigorífico real, el motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que se emplea en extraer un calor del foco frío (la cavidad del frigorífico) y se cede calor al foco caliente, que es la atmósfera.