Energía total de un sistema termodinámico La energía total de un sistema termodinámico se puede definir como la suma de cada uno de los tipos de energías que actúan en el sistema. La energía total de un sistema termodinámico es igual a la suma de la energía interna más la energía potencial más la energía cinética. Explicare cada una a detalle:
Energía interna Se denomina energía interna del sistema a la suma de las energías de todas sus partículas. En un gas ideal las moléculas solamente tienen energía cinética, los choques entre las moléculas se suponen perfectamente elásticos, la energía interna solamente depende de la temperatura. La energía interna es una función de estado, es decir, una función de las variables termodinámicas termodinámicas que son necesarias para definir el estado del sistema. Para un sistema homogéneo, de composición constante, la energía interna puede tomarse como una función de sólo dos cualesquiera de las variables termodinámicas. termodinámicas. Por ejemplo si tomamos U = f ( T,V), para una transformación infinitesimal, o sea cuando los estados inicial y final están infinitamente próximos, la variación de energía interna será una diferencial exacta ya que es la diferencial de una función real. Matemáticamente se podría escribir entonces:
Como la energía interna de un sistema depende evidentemente de la cantidad de sustancia contenida en el sistema, será una propiedad extensiva, como ya se ha definido. Cualquier Cualquier variación de la masa del sistema provocará una variación de su energía interna.
Por el mismo motivo, el incremento de energía interna ΔU para un proceso, depende de la cantidad de sustancia contenida en el sistema que sufre la transformación. La energía interna se puede dividir en diferentes tipos de energías: La energía química
Es la energía que tiene la materia en virtud de su estructura interna, y que almacenan los combustibles, como la madera, el carbón o los derivados del petróleo. Es también la energía que almacenan las pilas y las baterías. La energía nuclear
La energía nuclear es la energía que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares. Sin embargo, este término engloba otro significado, el aprovechamiento de dicha energía para otros fines como, por ejemplo, la obtención de energía eléctrica, térmica y mecánica a partir de reacciones nucleares, y su aplicación, bien sea con fines pacíficos o bélicos. Estas reacciones se dan en los núcleos de algunos isótopos de ciertos 235
elementos químicos, siendo la más conocida la fisión del uranio-235 (
U),
con la que funcionan los reactores nucleares, y la más habitual en la 2
naturaleza, en el interior de las estrellas, la fusión del par deuterio-tritio ( H3
H).
El calor El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico. La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la
mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. La energía que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es parte de dicha energía interna (energía calorífica) transferida de un sistema a otro, lo que sucede con la condición de que estén a diferente temperatura. Se divide en dos calor sensible y calor latente: Calor Sensible
Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su Estado. En general, se ha observado experimentalmente que la cantidad de calor necesaria para calentar o enfriar un cuerpo es directamente proporcional a la masa del cuerpo y a la diferencia de temperaturas. La constante de proporcionalidad recibe el nombre de calor específico. Calor sensible es energía potencial bajo la forma de energía termal o calor. El cuerpo termal debe tener a temperatura más arriba que sus alrededores, (también vea: calor latente). La energía termal se puede transportar vía conducción, convección, radiación o por una combinación de eso. La cantidad o la magnitud de calor sensible es el producto de la masa del cuerpo, su capacidad de calor específica y su temperatura sobre una temperatura de la referencia. En muchos casos la temperatura de la referencia se deduce de conocimiento común, es decir. “temperatura ambiente”.
En atmósfera, transporte en grande del calor del zonas tropicales a postes se afecta cerca calor sensible bajo la forma de aire caliente que se mueve hacia los postes, y cerca calor latente como aire frío que se mueve hacia ecuador. Este movimiento es conducido sobre todo por ciclónico el ocurrir que se mezcla en Célula de Ferrel en las mediados de-latitudes, el último de cuál se asocia a cambios de la fase de atmosférico vapor de agua, sobre todo vaporización y condensación.
La cantidad de calor agregada o quitada se puede medir por un cambio de la temperatura de una sustancia flúida en a calorímetro. Calor Latente
En termoquímica, calor latente es la cantidad de energía bajo la forma de calor lanzado o absorbido por una sustancia durante un cambio de fase (es decir. sólido, líquido, o gas), - también llamó una transición de la fase. El término fue introducido alrededor 1750 por Negro de José según lo derivado del latín latere, para mentir ocultado. El término ahora se fecha, substituido por “entalpia de la transformación ".
Dos latentes calienta (o los enthalpies) se describen típicamente: latente calor de la fusión (el derretir), y latente calor de la vaporización (el hervir). Los nombres describen la dirección del flujo del calor a partir de una fase al siguiente. El cambio es endotérmico, es decir; el sistema absorbe energía, cuando el cambio es de sólido al líquido a proveer de gas. Es exotérmico (el proceso lanza energía) cuando está en la dirección opuesta. Por ejemplo, en atmósfera, cuando una molécula de agua se evapora de la superficie de cualquier agua de superficie, energía es transportado por la molécula de agua en una temperatura más baja paquete de aire eso contiene más vapor de agua que sus alrededores. Porque la energía es necesaria superar las fuerzas moleculares de la atracción entre las partículas del agua, el proceso de la transición de un paquete del agua a un paquete del vapor requiere la entrada de la energía que causa una gota en temperatura en sus alrededores. Si el vapor de agua condensa de nuevo a un líquido o a un sólido fase sobre una superficie, la energía latente absorbida durante la evaporación se lanza como calor sensible sobre la superficie. El valor grande de la entalpia de la condensación del vapor de agua es la razón que el vapor es un medio lejos más eficaz de la calefacción que el agua hirvienda, y es más peligroso.
Energía Potencial El potencial químico de un sistema termodinámico es el cambio de energía que experimentaría el sistema si fuera introducida en éste una partícula adicional, con la entropía y el volumen mantenidos constantes. Si un sistema contiene más de una especie de partículas, hay un potencial químico diferente asociado a cada especie, definido como el cambio en energía cuando el número de partículas de esa especie se incrementa en una unidad. El potencial químico es un parámetro fundamental en termodinámica y se asocia a la cantidad de materia. El potencial químico es particularmente importante cuando se estudian sistemas de partículas que reaccionan. Consideremos el caso más simple de dos especies, donde una partícula de la especie 1 puede transformarse en una partícula de la especie 2 y viceversa. Un ejemplo de un sistema de esta clase sería una mezcla supersaturada de agua líquida (especie 1) y vapor de agua (especie 2). Si el sistema está en equilibrio, los potenciales químicos de las dos especies deben ser iguales. De lo contrario, cualquier incremento en un potencial químico produciría emisión neta e irreversible de energía del sistema en forma de calor cuando esa especie con el potencial incrementado se transformara en la otra especie, o una ganancia neta de energía (de nuevo en forma de calor) si tuviera lugar la transformación reversible. En las reacciones químicas, las condiciones de equilibrio son generalmente más complicadas ya que intervienen más de dos especies. En este caso, la relación entre los potenciales químicos en el equilibrio viene dada por la ley de acción de las masas. Puesto que el potencial químico es una cantidad termodinámica, es definido independientemente del comportamiento microscópico del sistema, es decir, de las propiedades de las partículas que lo constituyen. Sin embargo, algunos sistemas contienen importantes variables que son equivalentes al potencial químico. En los gases y líquidos de Fermi, el potencial químico en el cero absoluto de temperatura es equivalente a la energía de Fermi.
Considere un sistema termodinámico que contiene n especies constitutivas. Su energía interna total U se postula como una función de la entropía S, el volumen V , y la cantidad de materia (o de sustancia) de cada especie n1,..., nn:
Refiriéndonos a U como la energía interna , remarcamos que las contribuciones de energía resultantes de las interacciones entre el sistema y los objetos externos están excluidas. Por ejemplo, la energía potencial gravitacional del sistema con la Tierra no está incluida en U. El potencial químico de la especie i del sistema, μi se define como la derivada parcial:
Donde los subíndices indican simplemente que la entropía, el volumen, y la cantidad de materia de las otras especies deben ser mantenidos constantes.
Energía Cinética Energía cinética, energía que un objeto posee debido a su movimiento. La energía cinética depende de la masa y la velocidad del objeto. Las relaciones entre la energía cinética y la energía potencial, y entre los conceptos de fuerza, distancia, aceleración y energía, pueden ilustrarse elevando un objeto y dejándolo caer. Cuando el objeto se levanta desde una superficie se le aplica una fuerza vertical. Al actuar esa fuerza a lo largo de una distancia, se transfiere energía al objeto. La energía cinética, es la parte de la energía mecánica de un cuerpo y corresponde al trabajo o las transformaciones que un cuerpo puede producir, debido a su movimiento, es decir, todos los cuerpos en movimiento tienen energía cinética, cuando está en reposo, no tiene energía cinética.
Esta capacidad de realizar cambios, que poseen los cuerpos en movimientos, se debe fundamentalmente, a dos factores: la masa del cuerpo y su velocidad. Un cuerpo que posee una gran masa, podrá producir grandes efectos y transformaciones debido a su movimiento. Un ejemplo de la aplicación de esta energía es el que se usaba en la Edad Media, cuando los atacantes de un castillo empujaban las puertas con un pesado ariete: un tronco grande y pesado, reforzado con hierro o bronce. También la velocidad del cuerpo es determinante para su energía cinética. Este efecto puede observarse cuando una bala, de apenas unos gramos, puede penetrar en gruesos troncos, al ser disparada a gran velocidad con un fusil. Una pelota en lo alto de una cuesta, por ejemplo tiene energía potencial, pero mientras rueda hacia abajo la va perdiendo. Las energías eléctricas, química y nuclear son formas de energía potencial. Un objeto pesado a alta velocidad tiene energía cinética que disminuye cuando rueda hacia abajo. La energía potencial se almacena en los cuerpos en reposo capaces de moverse. En la determinación de la energía cinética, sólo se toma en cuenta la masa y la velocidad de un objeto, sin importar como se originó el movimiento; en cambio, la energía potencial depende del tipo de fuerza que se aplique a un objeto. Por tal razón existen diferentes tipos de energía potencial. El estudio de todos los aspectos con que un sistema químico se acerca a una condición de equilibrio, es lo que se define como cinética-química. En química la teoría cinética explica el comportamiento de la materia en sus tres estados: sólidos, líquido y gaseoso. El estado de un cuerpo está determinado por la cantidad de energía cinética de sus átomos y moléculas (pequeñas partículas que forman la materia). Los cambios de estado se producen cuando varía la cantidad de energía. Los átomos de un gas tienen más energía que los de un líquido, y los de éste más que los de un sólido. La temperatura, la presión y el volumen que ocupa un gas depende de la energía cinética de sus moléculas.
TRANSFERENCIA DE CALOR En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están en distinto nivel energético. 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. La conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. 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. Transmisión irreversible de calor. Como otro ejemplo, considérense dos cuerpos que son semejantes en todo, excepto que uno se encuentra a una temperatura TH y el otro a la temperatura TC, donde TH> TC. Si ponemos ambos objetos en contacto dentro de una caja con paredes no conductoras, eventualmente llegan a la temperatura común Tm, con un valor entre TH y TC; como la dilatación libre, el proceso es irreversible, por que perdemos el control del medio ambiente, una vez que colocamos los dos cuerpos en la
caja. Como la dilatación libre, este proceso también es adiabático (irreversible), por que no entra o sale calor en el sistema durante el proceso. Para calcular el cambio de entropía para el sistema durante este proceso, de nuevo debemos encontrar un proceso reversible que conecte los mismos estados inicial y final y calcular el cambio de entropía, aplicando la ecuación al proceso. Podemos hacerlo, si imaginamos que tenemos a nuestra disposición un deposito de calor de gran capacidad calorífica, cuya temperatura T este bajo nuestro control, digamos, haciendo girar una perilla. Primero ajustamos, la temperatura del deposito a TH a Tm, quitando calor al cuerpo caliente al mismo tiempo. En este proceso el cuerpo caliente pierde entropía, siendo el cambio de esta magnitud . Aquí T1 es una temperatura adecuada escogida entre TH y Tm y Q es el calor extraído. En seguida ajustamos la temperatura de nuestro depósito a Tc y lo colocamos en contacto con el segundo cuerpo (el más frío). A continuación elevamos lentamente (reversiblemente) la temperatura del depósito de Tc a Tm, cediendo calor al cuerpo frío mientras lo hacemos. El cuerpo frío gana entropía en este proceso, siendo su cambio. Aquí T2 es una temperatura adecuada, escogida para que quede entre Tc y Tm y Q es el calor agregado. El calor Q agregado al cuerpo frío es igual al Q extraído del cuerpo caliente. Los dos cuerpos se encuentran ahora en la misma temperatura Tm y el sistema se encuentra en el estado de equilibrio final. El cambio de entropía para el sistema completo es: Como T1>T2, tenemos Sf >Si. De nuevo, como para la dilatación libre, la entropía del sistema aumenta en este proceso reversible y adiabático. Nótese que, como la dilatación libre, nuestro ejemplo de la conducción del calor es un proceso que en la naturaleza se desarrolla por sí mismo una vez que se ha iniciado. En realidad no podemos concebir el proceso opuesto, en el cual, por ejemplo, una varilla de metal en equilibrio térmico a la temperatura del cuarto espontáneamente se ajuste de tal manera, que un extremo quede más caliente y en el otro más frío. De nuevo, la naturaleza tiene la preferencia irresistible para que el proceso se efectúe en una dirección determinada y no en la opuesta. En cada uno de estos ejemplos, debemos distinguir cuidadosamente el proceso real (irreversible) (dilatación libre o transmisión del calor) y el proceso reversible que se introdujo, para que se pudiera
calcular el cambio de entropía en el proceso real. Podemos escoger cualquier proceso reversible, mientras conecte los mismos estados inicial y final que el proceso real; todos estos procesos reversibles llevarán al mismo cambio de entropía porque ella depende sólo los estados inicial y final y no de los procesos que los conectan, tanto si son reversibles como si son irreversibles.
