FISICA ELEMENTAL ¿QUÉ ES LA TERMODINÁMICA? La Termodinámica es la rama de la !sica "#e es$#dia a ni%el macrosc&'ico las $rans(ormaciones de la ener)!a* + c&mo es$a ener)!a '#ede con%er$irse en $ra,a-o .mo%imien$o/0 1is$&ricamen$e* la Termodinámica naci& en el si)lo 2I2 de la necesidad de me-orar el rendimien$o de las 'rimeras má"#inas $3rmicas (a,ricadas 'or el 4om,re d#ran$e la Re%ol#ci&n Ind#s$rial0 La Termodinámica clásica ."#e es la "#e se $ra$ará en es$as 'á)inas/ se desarroll& an$es de "#e la es$r#c$#ra a$&mica (#era desc#,ier$a .a (inales del si)lo 2I2/* 'or lo "#e los res#l$ados "#e arro-a + los 'rinci'ios "#e $ra$a son inde'endien$es de la es$r#c$#ra a$&mica + molec#lar de la ma$eria0 El '#n$o de 'ar$ida de la ma+or 'ar$e de consideraciones $ermodinámicas son las llamadas le+es o 'rinci'ios de la Termodinámica0 En $3rminos sencillos* es$as le+es de(inen c&mo $ienen l#)ar las $rans(ormaciones de ener)!a0 Con el $iem'o* 4an lle)ado a ser de las le+es más im'or$an$es de la ciencia0 An$es de en$rar en el es$#dio de los 'rinci'ios de la $ermodinámica* es necesario in$rod#cir al)#nas nociones 'relim 're limina inares res** com comoo "#3 es #n sis sis$em $emaa $er $ermod modiná inámic mico* o* c&m c&moo se des descri cri,e* ,e* "#3 $i' $i'oo de $ra $rans( ns(orm ormacio aciones nes '#e '#ede de e5'erimen$ar** e$c0 Es$os conce'$os es$án res#midos en el si)#ien$e c#adro6 e5'erimen$ar
SISTEMA TERMODINÁMICO Un sis$ema $ermodinámico $ermodinámico .$am,i3n .$am,i3n denom denominado inado s#s$ancia s#s$ancia de $ra,a-o/ se de(in de(inee como la 'ar$e del #ni%erso o,-e$o de es$#dio0 Un sis$ema $ermodinámico '#ede ser #na c3l#la* #na 'ersona* el %a'or de #na má"#ina de %a'or* la me7cla de )asolina + aire en #n mo$or $3rmico* la a$m&s(era $erres$re* e$c0 El sis$ema $ermodinámico '#ede es$ar se'arado del res$o del #ni%erso .denominado alrededores del sis$ema/ 'or 'aredes reales o ima)inarias0 En es$e 8l$imo caso* el sis$ema o,-e$o de es$#dio ser!a* 'or e-em'lo* #na 'ar$e de #n sis$emaa más )rande0 Las 'ared sis$em 'aredes es "#e se'aran #n sis$e sis$ema ma de s#s alrede alrededores dores '#eden ser aislan aislan$es $es .llamadas 'aredes adia,á$icas/ o 'ermi$ir el (l#-o de calor .dia$3rmicas/0 Los sis$emas $ermodinámicos '#eden ser aislados* cerrados o a,ier$os0 Sis$ema aislado6 es a"#3l "#e no in$ercam,ia ni ma$eria ni ener)!a con los alrededores0 Sis$ema cerrado6 es a"#3l "#e in$ercam,ia ener)!a .calor + $ra,a-o/ 'ero no ma$eria con los alrededores .s# masa 'ermanece cons$an$e/0 Sis$ema a,ier$o6 es a"#3l "#e in$ercam,ia ener)!a + ma$eria con los alrededores0 En la si)#ien$e (i)#ra se 4an re'resen$ado los dis$in$os $i'os de sis$emas $ermodinámicos0
C#ando C#an do #n si sis$ s$em emaa es es$á $á ai aisl slad adoo + se le de de-a -a e% e%ol ol#ci #cion onar ar #n $i$iem em'o 'o s# s#(i(ici cien en$e $e** se o, o,se ser% r%aa "# "#ee la lass %a %ari ria, a,les les $ermodinámicas "#e descri,en s# es$ado no %ar!an0 La $em'era$#ra en $odos los '#n$os del sis$ema es la misma* as! como la 'resi&n0 En es$a si$#aci&n se dice "#e el sis$ema es$á en e"#ili,rio $ermodinámico0 EQUILI9RIO TERMODINÁMICO En Termodinámica se dice "#e #n sis$ema se enc#en$ra en e"#ili,rio $ermodinámico c#ando las %aria,les in$ensi%as "#e descri,en s# es$ado no %ar!an a lo lar)o del $iem'o0 C#ando #n sis$ema no es$á aislado* el e"#ili,rio $ermodinámico se de(ine en relaci&n con los alrededores del sis$ema0 :ara "#e #n sis$ema es$3 en e"#ili,rio* los %alores de las %aria,les "#e descri,en s# es$ado de,en $omar el mismo %alor 'ara el sis$e sis$ema ma + 'ara s#s alred alrededore edores0 s0 C#an C#ando do #n sis$em sis$emaa cerra cerrado do es$á en e"#ili,rio* e"#ili,rio* de,e es$ar sim#l$áneame sim#l$áneamen$e n$e en e"#ili,rio $3rmico + mecánico0 E"#ili,rio $3rmico6 la $em'era$#ra del sis$ema es la misma "#e la de los alrededores0 E"#ili,rio mecánico6 la 'resi&n del sis$ema es la misma "#e la de los alrededores0 ;ARIA9LES TERMODINÁMICAS Las %aria,les $ermodinámicas o %aria,les de es$ado son las ma)ni$#des "#e se em'lean 'ara descri,ir el es$ado de #n sis$ema $ermodinámico0 De'endiendo de la na$#rale7a del sis$ema $ermodinámico o,-e$o de es$#dio* '#eden ele)irse dis$in$os con-#n$os de %aria,les $ermodinámicas 'ara descri,irlo0 En el caso de #n )as* es$as %aria,les son6 Masa .m & n/6 es la can$idad de s#s$ancia "#e $iene el sis$ema0 En el Sis$ema In$ernacional se e5'resa res'ec$i%amen$e en l >@= m=0 :resi&n .'/6 Es la (#er7a 'or #nidad de área a'licada so,re #n c#er'o en la direcci&n 'er'endic#lar a s# s#'er(icie0 En el Sis$ema In$ernacional se e5'resa en 'ascales .:a/0 La a$m&s(era es #na #nidad de 'resi&n com8nmen$e #$ili7ada0 S# con%ersi&n a 'ascales es6 > a$m ≅ >@B :a0 Tem' em'era era$#r $#raa .T & $/6 A ni%el microsc&'ico la $em'era$#ra de #n sis$ema es$á relacionada con la ener)!a cin3$ica "#e $ienen las mol3c#las "#e lo cons$i$#+en0 Macrosc&'icamen$e* la $em'era$#ra es #na ma)ni$#d "#e de$ermina el sen$ido en "#e se 'rod#ce el (l#-o de calor c#ando dos c#er'os se 'onen en con$ac$o0 En el Sis$ema In$ernacional se mide en
TRANSORMACIONES TERMODINÁMICAS Un sis$ema $ermodinámico '#ede descri,ir #na serie de $rans(ormaciones "#e lo lle%en desde #n cier$o es$ado inicial .en el "#e el sis$ema se enc#en$ra a #na cier$a 'resi&n* %ol#men + $em'era$#ra/ a #n es$ado (inal en "#e en )eneral las %aria,les $ermodinámicas $endrán #n %alor di(eren$e0 D#ran$e ese 'roceso el sis$ema in$ercam,iará ener)!a con los alrededores0 Los 'rocesos $ermodinámicos '#eden ser de $res $i'os6 C#asies$á$ico6 es #n 'roceso "#e $iene l#)ar de (orma in(ini$amen$e len$a0 Jeneralmen$e es$e 4ec4o im'lica "#e el sis$ema 'asa 'or s#cesi%os es$ados de e"#ili,rio* en c#+o caso la $rans(ormaci&n es $am,i3n re%ersi,le0 Re%ersi,le6 es #n 'roceso "#e* #na %e7 "#e 4a $enido l#)ar* '#ede ser in%er$ido .recorrido en sen$ido con$rario/ sin ca#sar cam,ios ni en el sis$ema ni en s#s alrededores0 Irre%ersi,le6 es #n 'roceso "#e no es re%ersi,le0 Los es$ados in$ermedios de la $rans(ormaci&n no son de e"#ili,rio0 Dia)rama ' ;
Una (orma de re'resen$ar )rá(icamen$e los es$ados + las $rans(ormaciones "#e e5'erimen$a #n sis$ema es el llamado dia)rama de Cla'e+ron o dia)rama ' ;0 En el e-e %er$ical se re'resen$a la 'resi&n + en el 4ori7on$al el %ol#men0 C#al"#ier es$ado de e"#ili,rio* de(inido 'or s#s %aria,les .'* ;/* se re'resen$a median$e #n '#n$o en dic4o dia)rama0 La $em'era$#ra de dic4o es$ado se o,$iene 4aciendo #so de la ec#aci&n de es$ado0 En la (i)#ra s#'erior se 4an re'resen$ado dos $rans(ormaciones en #n dia)rama ' ;0 La 'rimera de ellas .A9* en ro-o/ es #na $rans(ormaci&n is&cora .$iene l#)ar a %ol#men cons$an$e/* + la 9C es #na $rans(ormaci&n is&,ara .a 'resi&n cons$an$e/0 Am,as son $rans(ormaciones re%ersi,les '#es$o "#e* al es$ar re'resen$ados en el dia)rama $odos los es$ados in$ermedios en$re el es$ado inicial + el (inal* de,en ser necesariamen$e de e"#ili,rio0 Si no lo (#eran* las %aria,les $ermodinámicas no es$ar!an ,ien de(inidas en ellos0 ECUACIN DE ESTADO Una ec#aci&n de es$ado es #na ec#aci&n "#e relaciona* 'ara #n sis$ema en e"#ili,rio $ermodinámico* las %aria,les de es$ado "#e lo descri,en0 Tiene la (orma )eneral6 No e5is$e #na 8nica ec#aci&n de es$ado "#e descri,a el com'or$amien$o de $odas las s#s$ancias 'ara $odas las condiciones de 'resi&n + $em'era$#ra0 ECUACIN DE ESTADO DE UN JAS IDEAL La ec#aci&n de es$ado más sencilla es a"#ella "#e descri,e el com'or$amien$o de #n )as c#ando 3s$e se enc#en$ra a #na 'resi&n ,a-a + a #na $em'era$#ra al$a0 En es$as condiciones la densidad del )as es m#+ ,a-a* 'or lo "#e '#eden 4acerse las si)#ien$es a'ro5imaciones6 no 4a+ in$eracciones en$re las mol3c#las del )as* el %ol#men de las mol3c#las es n#lo0 La ec#aci&n de es$ado "#e descri,e #n )as en es$as condiciones se llama ec#aci&n de es$ado de #n )as ideal0 La ec#aci&n de es$ado de #n )as ideal es el res#l$ado de com,inar dos le+es em'!ricas %álidas 'ara )ases m#+ dil#idos6 la le+ de 9o+le + la le+ de C4arles0
Le+ de 9o+le La le+ de 9o+le .>KKF/ da #na relaci&n en$re la 'resi&n de #n )as + el %ol#men "#e oc#'a a $em'era$#ra cons$an$e0 Dic4a le+ es$a,lece "#e el 'rod#c$o de la 'resi&n 'or el %ol#men de #n )as a $em'era$#ra cons$an$e es cons$an$e0 Ma$emá$icamen$e6 Le+ de C4arles La le+ de C4arles .>GG/ es$a,lece "#e* a 'resi&n cons$an$e* el cocien$e en$re el %ol#men "#e oc#'a #n )as + s# $em'era$#ra* e5'resada en /* la ec#aci&n res#l$an$e es6 "#e es la ec#aci&n de #na 4i'3r,ola0 Jrá(icamen$e*
Cada %alor de la $em'era$#ra s#s$i$#ido en la ec#aci&n de es$ado da l#)ar a #na 4i'3r,ola0 :or cons$r#cci&n* $odos los '#n$os de #na misma 4i'3r,ola corres'onden a es$ados en "#e el )as ideal se enc#en$ra a la misma $em'era$#ra* 'or lo "#e se denominan iso$ermas0 C#an$o ma+or es la $em'era$#ra* más arri,a en el dia)rama de Cla'e+ron se encon$rará s# iso$erma corres'ondien$e0
INTERCAM9IO DE ENERJA EN UN SISTEMA TERMODINÁMICO En las 'á)inas an$eriores se 4a in$rod#cido la manera de descri,ir #n sis$ema $ermodinámico + las $rans(ormaciones "#e '#ede e5'erimen$ar0 Como +a se mencion& en la in$rod#cci&n* la Termodinámica es$#dia las $rans(ormaciones ener)3$icas "#e e5'erimen$a #n sis$ema $ermodinámico* 'or lo "#e es necesario in$rod#cir a4ora "#3 $i'os de ener)!a en$ran en -#e)o c#ando #n sis$ema e5'erimen$a #na de$erminada $rans(ormaci&n + c#ál es la relaci&n "#e e5is$e en$re ellos0 En 'rimer l#)ar es necesario di(erenciar la ener)!a "#e #n sis$ema '#ede ac#m#lar de la ener)!a "#e se $rans(iere a #n sis$ema c#ando 3s$e e5'erimen$a #na $rans(ormaci&n0 La 'rimera .denominada ener)!a in$erna/* es #na 'ro'iedad del sis$ema + 'or $an$o #na (#nci&n de es$ado0/ La ener)!a $rans(erida a #n sis$ema $ermodinámico '#ede ser de dos $i'os6 calor + $ra,a-o0 Nin)#na de es$as ma)ni$#des es #na (#nci&n de es$ado* +a "#e no son 'ro'iedades del sis$ema sino la ener)!a "#e se le 4a s#minis$rado a lo lar)o de #na $rans(ormaci&n* + de'enden 'or $an$o de la misma0 En la si)#ien$e (i)#ra se 4a re'resen$ado la relaci&n en$re las $res ma)ni$#des0
C#ando #n sis$ema 'asa de #n cier$o es$ado inicial A* a #no 9* s# ener)!a in$erna %ar!a0 D#ran$e la $rans(ormaci&n se le s#minis$ra $ra,a-o + calor* + la relaci&n en$re las $res ma)ni$#des .'ar$e cen$ral de la (i)#ra/ se conoce como 'rimer 'rinci'io de la $ermodinámica 0 CALOR El calor .re'resen$ado con la le$ra Q/ es la ener)!a $rans(erida de #n sis$ema a o$ro .o de #n sis$ema a s#s alrededores/ de,ido en )eneral a #na di(erencia de $em'era$#ra en$re ellos0 El calor "#e a,sor,e o cede #n sis$ema $ermodinámico de'ende normalmen$e del $i'o de $rans(ormaci&n "#e 4a e5'erimen$ado dic4o sis$ema0 Dos o más c#er'os en con$ac$o "#e se enc#en$ran a dis$in$a $em'era$#ra alcan7an* 'asado #n $iem'o* el e"#ili,rio $3rmico .misma $em'era$#ra/0 Es$e 4ec4o se conoce como :rinci'io Cero de la Termodinámica* + se il#s$ra en la si)#ien$e (i)#ra0 Un as'ec$o del calor "#e con%iene resal$ar es "#e los c#er'os no almacenan calor sino ener)!a in$erna 0 El calor es 'or $an$o la $rans(erencia de 'ar$e de dic4a ener)!a in$erna de #n sis$ema a o$ro* con la condici&n de "#e am,os es$3n a di(eren$e $em'era$#ra0 S#s #nidades en el Sis$ema In$ernacional son los -#lios ./ La e5'resi&n "#e relaciona la can$idad de calor "#e in$ercam,ia #na masa m de #na cier$a s#s$ancia con la %ariaci&n de $em'era$#ra P$ "#e e5'erimen$a es6 donde c es el calor es'ec!(ico de la s#s$ancia0 El calor es'ec!(ico .o ca'acidad calor!(ica es'ec!(ica/ es la ener)!a necesaria 'ara ele%ar en #n > )rado la $em'era$#ra de > <) de masa0 S#s #nidades en el Sis$ema In$ernacional son <) 0
En )eneral* el calor es'ec!(ico de #na s#s$ancia de'ende de la $em'era$#ra0 Sin em,ar)o* como es$a de'endencia no es m#+ )rande* s#ele $ra$arse como #na cons$an$e0 En es$a $a,la se m#es$ra el calor es'ec!(ico de los dis$in$os elemen$os de la $a,la 'eri&dica + en es$a o$ra el calor es'ec!(ico de di(eren$es s#s$ancias0 C#ando se $ra,a-a con )ases es ,as$an$e 4a,i$#al e5'resar la can$idad de s#s$ancia en $3rminos del n8mero de moles n0 En es$e caso* el calor es'ec!(ico se denomina ca'acidad calor!(ica molar C 0 El calor in$ercam,iado %iene en$onces dado 'or6 En el Sis$ema In$ernacional* las #nidades de la ca'acidad calor!(ica molar son mol0 Cri$erio de si)nos6 A lo lar)o de es$as 'á)inas* el calor a,sor,ido 'or #n c#er'o será 'osi$i%o + el calor cedido ne)a$i%o0 Ca'acidad calor!(ica de #n )as ideal :ara #n )as ideal se de(inen dos ca'acidades calor!(icas molares6 a %ol#men cons$an$e .C V /* + a 'resi&n cons$an$e .C p/0 C V 6 es la can$idad de calor "#e es necesario s#minis$rar a #n mol de )as ideal 'ara ele%ar s# $em'era$#ra #n )rado median$e #na $rans(ormaci&n is&cora 0 C p6 es la can$idad de calor "#e es necesario s#minis$rar a #n mol de )as ideal 'ara ele%ar s# $em'era$#ra #n )rado median$e #na $rans(ormaci&n is&,ara 0 El %alor de am,as ca'acidades calor!(icas '#ede de$erminarse con a+#da de la $eor!a cin3$ica de los )ases ideales0 Los %alores res'ec$i%os 'ara )ases monoa$&micos + dia$&micos se enc#en$ran en la si)#ien$e $a,la6 Monoa$&mico
Dia$&mico
donde R es la cons$an$e #ni%ersal de los )ases ideales* R = 8.31 J/mol K 0 CALOR LATENTE DE UN CAM9IO DE ASE C#ando se 'rod#ce #n cam,io de (ase* la s#s$ancia de,e a,sor,er o ceder #na cier$a can$idad de calor 'ara "#e $en)a l#)ar0 Es$e calor será 'osi$i%o .a,sor,ido/ c#ando el cam,io de (ase se 'rod#ce de i7"#ierda a derec4a en la (i)#ra* + ne)a$i%o .cedido/ c#ando la $ransici&n de (ase $iene l#)ar de derec4a a i7"#ierda0
El calor a,sor,ido o cedido en #n cam,io de (ase no se $rad#ce en #n cam,io de $em'era$#ra* +a "#e la ener)!a s#minis$rada o e5$ra!da de la s#s$ancia se em'lea en cam,iar el es$ado de a)re)aci&n de la ma$eria0 Es$e calor se denomina calor la$en$e0 Latente en la$!n "#iere decir escondido* + se llama as! 'or"#e* al no cam,iar la $em'era$#ra d#ran$e el cam,io de es$ado* a 'esar de aHadir calor* 3s$e se "#eda,a escondido sin $rad#cirse en #n cam,io de $em'era$#ra0 Calor la$en$e .L/ o calor de cam,io de es$ado* es la ener)!a a,sor,ida o cedida 'or #nidad de masa de s#s$ancia al cam,iar de es$ado0 De s&lido a l!"#ido es$e calor se denomina calor la$en$e de (#si&n* de l!"#ido a %a'or calor la$en$e de %a'ori7aci&n + de s&lido a %a'or calor la$en$e de s#,limaci&n0
El calor la$en$e 'ara los 'rocesos in%ersos .re'resen$ados en a7#l en la (i)#ra an$erior/ $ienen el mismo %alor en %alor a,sol#$o* 'ero serán ne)a$i%os 'or"#e en es$e caso se $ra$a de #n calor cedido0 En el Sis$ema In$ernacional* el calor la$en$e se mide en <)0 La can$idad de calor "#e a,sor,e o cede #na can$idad m de s#s$ancia 'ara cam,iar de (ase %iene dada 'or6 Es$e calor será 'osi$i%o o ne)a$i%o de'endiendo del cam,io de (ase "#e 4a+a $enido l#)ar0 TRA9AO DE UN SISTEMA TERMODINÁMICO El $ra,a-o es la can$idad de ener)!a $rans(erida de #n sis$ema a o$ro median$e #na (#er7a c#ando se 'rod#ce #n des'la7amien$o0 ;amos a 'ar$ic#lari7ar la e5'resi&n )eneral del $ra,a-o 'ara #n sis$ema $ermodinámico concre$o6 #n )as encerrado en #n reci'ien$e 'or #n 'is$&n* "#e '#ede mo%erse sin ro7amien$o0 :or e(ec$o de la 'resi&n . p/ e-ercida 'or el )as* el 'is$&n s#(re #na (#er7a "#e lo des'la7a desde #na 'osici&n inicial .A/ a #na 'osici&n (inal .9/* mien$ras recorre #na dis$ancia dx 0 En el Sis$ema In$ernacional el $ra,a-o se mide en #lios ./0 Es$e $ra,a-o es$á considerado desde el '#n$o de %is$a del sis$ema $ermodinámico* 'or $an$o6El $ra,a-o es 'osi$i%o c#ando lo reali7a el )as .e5'ansi&n/ + ne)a$i%o c#ando el e5$erior lo reali7a con$ra el )as .com'resi&n/0 El $ra,a-o en #n dia)rama '; :ara calc#lar el $ra,a-o reali7ado 'or #n )as a 'ar$ir de la in$e)ral an$erior es necesario conocer la (#nci&n "#e relaciona la 'resi&n con el %ol#men* es decir* p(V)* + es$a (#nci&n de'ende del 'roceso se)#ido 'or el )as0 Si re'resen$amos en #n dia)rama '; los es$ados inicial .A/ + (inal .9/* el $ra,a-o es el área encerrada ,a-o la c#r%a "#e re'resen$a la $rans(ormaci&n e5'erimen$ada 'or el )as 'ara ir desde el es$ado inicial al (inal0 Como se o,ser%a en la (i)#ra* el $ra,a-o de'ende de c&mo es dic4a $rans(ormaci&n0 Es decir* se '#ede concl#ir "#e6 El $ra,a-o in$ercam,iado 'or #n )as de'ende de la $rans(ormaci&n "#e reali7a 'ara ir desde el es$ado inicial al es$ado (inal0 C#ando #n )as e5'erimen$a más de #na $rans(ormaci&n* el $ra,a-o $o$al es la s#ma del $ra,a-o .con s# si)no/ reali7ado 'or el )as en cada #na de ellas0 Un $i'o de $rans(ormaci&n 'ar$ic#larmen$e in$eresan$e es la "#e se denomina ciclo* en la "#e el )as* des'#3s de s#(rir dis$in$as $rans(ormaciones* %#el%e a s# es$ado inicial .%er (i)#ra in(erior/0 El in$er3s de es$e $i'o de $rans(ormaciones radica en "#e $odas las má"#inas $3rmicas + re(ri)eradores (#ncionan c!clicamen$e0 C#ando #n ciclo se recorre en sen$ido 4orario .%er 'ar$e i7"#ierda de la (i)#ra/*el $ra,a-o $o$al reali7ado 'or el )as en el ciclo es 'osi$i%o* +a "#e el $ra,a-o A9 .'osi$i%o/ es ma+or en %alor a,sol#$o "#e el 9A .ne)a$i%o/* 'or lo "#e la s#ma de am,os será 'osi$i%a0 :or el con$rario* si el ciclo se recorre en sen$ido an$i 4orario el $ra,a-o $o$al es ne)a$i%o0
Los ciclos "#e re'resen$an el (#ncionamien$o de má"#inas $3rmicas se recorren siem're en sen$ido 4orario .#na má"#ina da $ra,a-o 'osi$i%o/* mien$ras "#e los ciclos "#e re'resen$an el (#ncionamien$o de los re(ri)eradores son recorridos en sen$ido an$i 4orario .'ara "#e #n re(ri)erador (#ncione* de,emos s#minis$rarle $ra,a-o desde el e5$erior/0 ENERJA INTERNA La ma)ni$#d "#e desi)na la ener)!a almacenada 'or #n sis$ema de 'ar$!c#las se denomina ener)!a in$erna .U/0 La ener)!a in$erna es el res#l$ado de la con$ri,#ci&n de la ener)!a cin3$ica de las mol3c#las o á$omos "#e lo cons$i$#+en* de s#s ener)!as de ro$aci&n* $raslaci&n + %i,raci&n* además de la ener)!a 'o$encial in$ermolec#lar de,ida a las (#er7as de $i'o )ra%i$a$orio* elec$roma)n3$ico + n#clear0 La ener)!a in$erna es #na (#nci&n de es$ado6 s# %ariaci&n en$re dos es$ados inde'endien$e de la $rans(ormaci&n "#e los conec$e* s&lo de'ende del es$ado inicial + del es$ado (inal0
es
Como consec#encia de ello* la %ariaci&n de ener)!a in$erna en #n ciclo es siem're n#la* +a "#e el es$ado inicial + el (inal coinciden6 ENERJA INTERNA DE UN JAS IDEAL :ara el caso de #n )as ideal '#ede demos$rarse "#e la ener)!a in$erna de'ende e5cl#si%amen$e de la $em'era$#ra* +a en #n )as ideal se des'recia $oda in$eracci&n en$re las mol3c#las o á$omos "#e lo cons$i$#+en* 'or lo "#e la ener)!a in$erna es s&lo ener)!a cin3$ica* "#e de'ende s&lo de la $em'era$#ra0 Es$e 4ec4o se conoce como la le+ de o#le0 La %ariaci&n de ener)!a in$erna de #n )as ideal .monoa$&mico o dia$&mico/ en$re dos es$ados A + 9 se calc#la median$e la e5'resi&n6
Donde n es el n8mero de moles + C v la ca'acidad calor!(ica molar a %ol#men cons$an$e0 Las $em'era$#ras de,en ir e5'resadas en el%in0 :ara demos$rar es$a e5'resi&n ima)inemos dos iso$ermas carac$eri7adas 'or s#s $em'era$#ras T A + T B como se m#es$ra en la (i)#ra0 Un )as ideal s#(rirá la misma %ariaci&n de ener)!a in$erna . ! AB/ siem're "#e s# $em'era$#ra inicial sea T A + s# $em'era$#ra (inal T B* se)8n la Le+ de o#le* sea c#al sea el $i'o de 'roceso reali7ado0 Eli-amos #na $rans(ormaci&n is&cora .di,#-ada en %erde/ 'ara lle%ar el )as de la iso$erma T A a o$ro es$ado de $em'era$#ra T B0 El $ra,a-o reali7ado 'or el )as es n#lo* +a "#e no 4a+ %ariaci&n de %ol#men0 L#e)o a'licando el :rimer :rinci'io de la Termodinámica 6
El calor in$ercam,iado en #n 'roceso %iene dado 'or6
siendo C la ca'acidad calor!(ica0 En es$e 'roceso* 'or reali7arse a %ol#men cons$an$e* se #sará el %alor C v .ca'acidad calor!(ica a %ol#men cons$an$e/0 En$onces* se o,$iene (inalmen$e6
Es$a e5'resi&n 'ermi$e calc#lar la %ariaci&n de ener)!a in$erna s#(rida 'or #n )as ideal* conocidas las $em'era$#ras inicial + (inal + es %álida inde'endien$emen$e de la $rans(ormaci&n s#(rida 'or el )as0
Institución Educativa FAP “Cap. FAP JOSÉ EMILIO VELARDE VARGAS !ALARA
FICHA DE TRABAJO INTEGRANTES:
>0 F0 =0 0
Eli)e la res'#es$a correc$a6 >/ La ec#aci&n de es$ado del )as ideal re'rod#ce el com'or$amien$o de los )ases c#ando se enc#en$ran a ,a-a densidad0 o %erdadero o (also F/ La ec#aci&n de es$ado de ;an der aals s&lo es a'lica,le c#ando se es$á 'rod#ciendo el cam,io de (ase de %a'or a l!"#ido0 o %erdadero o (also =/ La ca'acidad calor!(ica de #n )as ideal monoa$&mico de'ende de la $em'era$#ra0 o %erdadero o (also / El calor necesario 'ara "#e se 'rod#7ca #n cam,io de (ase es 'ro'orcional al calor la$en$e de la $ransici&n + a la masa de la s#s$ancia0 o %erdadero o (also B/ En la ec#aci&n de es$ado de ;an der aals se $ienen en c#en$a las (#er7as in$ermolec#lares0 o %erdadero o (also K/ A #na $em'era$#ra s#'erior a la del '#n$o $ri'le la s#s$ancia se enc#en$ra necesariamen$e en (ase )as0 o %erdadero o (also G/ C#al"#ier s#s$ancia '#ede s#(rir #n cam,io de (ase de s&lido a l!"#ido a#men$ando la 'resi&n0 o %erdadero o (also
Todos los en#nciados si)#ien$es se re(ieren a $rans(ormaciones re%ersi,les reali7adas 'or #n )as ideal0 Eli)e la res'#es$a correc$a6 >/ En #na e5'ansi&n iso,ara6 a/ ,/ c/ d/
la ener)!a in$erna 'ermanece cons$an$e el $ra,a-o reali7ado 'or el )as es ne)a$i%o el )as cede calor el $ra,a-o reali7ado 'or el )as es 'ro'orcional a la %ariaci&n de %ol#men
F/ En #na com'resi&n iso$erma6 a/ ,/ c/ d/
la ener)!a in$erna dismin#+e el calor + el $ra,a-o coinciden la ener)!a in$erna a#men$a el )as reali7a #n $ra,a-o 'osi$i%o
=/ En #n calen$amien$o is&coro6 a/ ,/ c/ d/
la %ariaci&n de ener)!a in$erna coincide con el calor a,sor,ido el $ra,a-o es 'ro'orcional a la %ariaci&n de 'resi&n del )as el )as cede calor la ener)!a in$erna dismin#+e
/ En #na e5'ansi&n adia,á$ica6 a/ ,/ c/ d/
la ener)!a in$erna a#men$a la $em'era$#ra 'ermanece cons$an$e el $ra,a-o es 'ro'orcional a la %ariaci&n de $em'era$#ra el )as a,sor,e calor
B/ En #n 'roceso c!clico6 a/ ,/ c/ d/
el $ra,a-o siem're es 'osi$i%o la ener)!a in$erna a#men$a el calor + el $ra,a-o coinciden el )as no in$ercam,ia calor
K/ A lo lar)o de #na $rans(ormaci&n adia,á$ica6 a/ la 'resi&n* el %ol#men + la $em'era$#ra es$án relacionadas* de'endiendo del coe(icien$e adia,á$ico del )as ,/ la 'resi&n* el %ol#men + la $em'era$#ra son inde'endien$es en$re s! c/ la 'resi&n + el %ol#men son in%ersamen$e 'ro'orcionales d/ la $em'era$#ra + la 'resi&n son direc$amen$e 'ro'orcionales
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Un sis$ema $ermodinámico '#ede in$ercam,iar ener)!a con s# en$orno en (orma de $ra,a-o + de calor* + ac#m#la ener)!a en (orma de ener)!a in$erna0 La relaci&n en$re es$as $res ma)ni$#des %iene dada 'or el 'rinci'io de conser%aci&n de la ener)!a0 :ara es$a,lecer el 'rinci'io de conser%aci&n de la ener)!a re$omamos la ec#aci&n es$#diada en la 'á)ina dedicada al es$#dio de sis$emas de 'ar$!c#las "#e relaciona el $ra,a-o de las (#er7as e5$ernas ." ext / + la %ariaci&n de ener)!a 'ro'ia .PU/ 6
Nom,ramos i)#al a la ener)!a 'ro'ia "#e a la ener)!a in$erna 'or"#e coinciden* +a "#e no es$amos considerando la $raslaci&n del cen$ro de masas del sis$ema .ener)!a cin3$ica or,i$al/0 :or o$ra 'ar$e* el $ra,a-o de las (#er7as e5$ernas es el mismo "#e el reali7ado 'or el )as 'ero cam,iado de si)no6 si el )as se e5'ande reali7a #n $ra,a-o ." / 'osi$i%o* en con$ra de las (#er7as e5$ernas* "#e reali7an #n $ra,a-o ne)a$i%o + a la in%ersa en el caso de #na com'resi&n0 Además* a4ora $enemos o$ra (orma de s#minis$rar ener)!a a #n sis$ema "#e es en (orma de calor .Q/0
L#e)o la e5'resi&n (inal "#eda6
Es$e en#nciado del 'rinci'io de conser%aci&n de la ener)!a a'licado a sis$emas $ermodinámicos se conoce como :rimer :rinci'io de la Termodinámica0 :ara aclarar es$os conce'$os consideremos el si)#ien$e e-em'lo6 #n reci'ien$e 'ro%is$o de #n 'is$&n con$iene #n )as ideal "#e se enc#en$ra en #n cier$o es$ado A0 C#ando desde el e5$erior se le s#minis$ra calor al )as . Q#$/ s# $em'era$#ra a#men$a + se)8n la Le+ de o#le* s# ener)!a in$erna $am,i3n .! BV! A/0 El )as se e5'ande 'or lo "#e reali7a #n $ra,a-o 'osi$i%o0 El 'rimer 'rinci'io nos da la relaci&n "#e de,en c#m'lir es$as ma)ni$#des6
Si el reci'ien$e $#%iera 'aredes (i-as* el )as no 'odr!a reali7ar $ra,a-o* 'or lo "#e el calor s#minis$rado se in%er$ir!a !n$e)ramen$e en a#men$ar la ener)!a in$erna0 Si el reci'ien$e es$#%iera aislado $3rmicamen$e del e5$erior .Q=$/ el )as al e5'andirse reali7ar!a #n $ra,a-o a cos$a de s# ener)!a in$erna* + en consec#encia es$a 8l$ima dismin#ir!a .el )as se en(riar!a/0 orma di(erencial del :rimer :rinci'io Si el 'roceso reali7ado 'or el )as es re%ersi,le* $odos los es$ados in$ermedios son de e"#ili,rio 'or lo "#e las %aria,les $ermodinámicas es$án ,ien de(inidas en cada ins$an$e a lo lar)o de la $rans(ormaci&n0 En es$a si$#aci&n 'odemos escri,ir el 'rimer 'rinci'io de la si)#ien$e manera6
La di(erencia de s!m,olos em'leados 'ara desi)nar la di(erencial del calor* del $ra,a-o + de la ener)!a in$erna re'resen$a "#e la ener)!a in$erna es #na (#nci&n de es$ado* mien$ras "#e el calor + el $ra,a-o de'enden de la $rans(ormaci&n "#e descri,e #n sis$ema0
PRIMER PRINCIPIO- APLICACIÓN A PROCESOS REVERSIBLES A'licamos el :rimer :rinci'io a los 'rocesos re%ersi,les más im'or$an$es* s#'oniendo siem're como s#s$ancia de $ra,a-o #n )as ideal0 Calc#laremos en cada caso el calor* el $ra,a-o + la %ariaci&n de ener)!a in$erna0 Recordemos "#e la $em'era$#ra se e5'resa en el%in* la 'resi&n en :ascales + el %ol#men en me$ros c8,icos0 Con es$as #nidades* la cons$an$e de los )ases ideales es R = 8.31 J/Kmol 0 Las ec#aciones "#e %amos a a'licar en cada $rans(ormaci&n son en$onces6
TRANSFORMACIÓN ISOTERMA En #na $rans(ormaci&n iso$erma la $em'era$#ra del sis$ema 'ermanece cons$an$e 'ara ello es necesario "#e el sis$ema se enc#en$re en con$ac$o con #n (oco $3rmico "#e se de(ine como #na s#s$ancia ca'a7 de a,sor,er o ceder calor sin modi(icar s# $em'era$#ra0 S#'on)amos "#e #n )as ideal a,sor,e calor de #n (oco $3rmico "#e se enc#en$ra a #na $em'era$#ra T o + como consec#encia* se e5'ande desde #n es$ado inicial Aa #no (inal B0 E5'ansi&n iso$erma de #n )as ideal en con$ac$o con #n (oco0 #n dia)rama ';6 la 'resi&n dismin#+e + el %ol#men a#men$a0
Re'resen$aci&n
El 'roceso es iso$ermo 'or man$enerse el )as en con$ac$o con el 'or lo "#e* la %ariaci&n de ener)!a in$erna será n#la6
en
(oco .T AT BT $/*
O,$enemos la e5'resi&n 'ara el $ra,a-o reali7ado 'or el )as en #na $rans(ormaci&n iso$erma a T $6
Es$e $ra,a-o es 'osi$i%o c#ando el )as se e5'ande . V BVV A/ + ne)a$i%o c#ando el )as se com'rime . V AVV B/0 A'licamos el :rimer :rinci'io 'ara calc#lar el calor in$ercam,iado6
Es decir* $odo el calor a,sor,ido se $rans(orma en $ra,a-o* +a "#e la %ariaci&n de ener)!a in$erna es n#la0 En el 'roceso in%erso $an$o el calor como el $ra,a-o son ne)a$i%os6 el )as s#(re #na com'resi&n + cede calor al (oco0
TRANSFORMACIÓN ISÓCORA En #na $rans(ormaci&n is&cora el %ol#men 'ermanece cons$an$e0 Ima)inemos #na cier$a can$idad de )as ideal encerrado en #n reci'ien$e de 'aredes (i-as* al "#e se le s#minis$ra calor 'or lo "#e el )as a#men$a de $em'era$#ra + de 'resi&n0 Trans(ormaci&n is&cora de #n )as ideal al "#e se le s#minis$ra calor0 Re'resen$aci&n en #n dia)rama ';6 la 'resi&n + la $em'era$#ra a#men$an0
El $ra,a-o reali7ado 'or el )as es n#lo* +a "#e no 4a+ %ariaci&n de %ol#men0 A'licando el :rimer :rinci'io* se ded#ce "#e $odo el calor in$ercam,iado se in%ier$e en %ariar la ener)!a in$erna6
Recordando la e5'resi&n 'ara la %ariaci&n de ener)!a in$erna de #n
)as ideal6
Es decir* 'or $ra$arse de calor a,sor,ido . QV@/ el )as a#men$a de $em'era$#ra0 En la $rans(ormaci&n in%ersa el )as se en(r!a cediendo calor al e5$erior + dismin#+endo s# 'resi&n0
TRANSFORMACIÓN ISOBARA En #na $rans(ormaci&n iso,ara la 'resi&n del sis$ema no %ar!a0 S#'on)amos "#e #n )as ideal a,sor,e calor +* como consec#encia* se e5'ande desde #n es$ado inicial A a #no (inal B* con$rolando la 'resi&n 'ara "#e es$3 en e"#ili,rio con el e5$erior + 'ermane7ca cons$an$e0 E5'ansi&n de #n )as ideal a 'resi&n cons$an$e0 Re'resen$aci&n en #n dia)rama ';6 el %ol#men + la $em'era$#ra a#men$an0 En es$e caso 'ar$e del calor a,sor,ido se $rans(orma en $ra,a-o reali7ado 'or el )as + el res$o se in%ier$e en a#men$ar la ener)!a in$erna0 La )as
%ariaci&n de ener)!a in$erna se calc#la #sando la e5'resi&n )eneral 'ara #n ideal6
:ara
e5'resar la relaci&n en$re el calor + la %ariaci&n de $em'era$#ra #saremos a4ora la ca'acidad calor!(ica a
'resi&n cons$an$e C p6
Además* se de,e c#m'lir el :rimer :rinci'io* es decir6
Recordando "#e 'or ser #n )as ideal pV=nRT * el se)#ndo miem,ro de la ec#aci&n se '#ede escri,ir6
Es$a ec#aci&n nos 'ermi$e o,$ener #na relaci&n en$re las ca'acidades calor!(icas de #n )as a %ol#men + a 'resi&n cons$an$e* conocida como Le+ de Ma+er6
TRANSFORMACIÓN ADIABÁTICA En #na $rans(ormaci&n adia,á$ica no se 'rod#ce in$ercam,io de calor del )as con el e5$erior . Q @/0 Se de(ine el coe(icien$e adia,á$ico de #n )as .W/ a 'ar$ir de las ca'acidades calor!(icas molares $omando dis$in$os %alores se)8n el )as sea monoa$&mico o dia$&mico6
El )as se enc#en$ra encerrado median$e #n 'is$&n en #n reci'ien$e de 'aredes aislan$es + se de-a e5'ansionar0 E5'ansi&n adia,á$ica de #n )as ideal0 Re'resen$aci&n en #n dia)rama ';6 el %ol#men a#men$a + la 'resi&n + la $em'era$#ra dismin#+en0 En es$e caso %ar!an sim#l$áneamen$e la 'resi&n* el %ol#men + la $em'era$#ra* 'ero no son inde'endien$es en$re s!0 Se '#ede demos$rar #sando el :rimer :rinci'io "#e se c#m'le6
es$ado
1aciendo cam,ios de %aria,le median$e de la ec#aci&n de del )as ideal* o,$enemos las relaciones en$re las o$ras %aria,les de es$ado6
El $ra,a-o reali7ado 'or el )as lo calc#lamos a 'ar$ir de la de(inici&n* e5'resando la 'resi&n en (#nci&n del %ol#men6
La %ariaci&n de ener)!a in$erna se calc#la #sando la e5'resi&n )eneral 'ara #n )as ideal6
A'licando el :rimer :rinci'io6
Es decir* en #na e5'ansi&n adia,á$ica* el )as reali7a #n $ra,a-o a cos$a de dismin#ir s# ener)!a in$erna* 'or lo "#e se en(r!a0 En el 'roceso in%erso* el )as se com'rime .X@/ + a#men$a la ener)!a in$erna0 En es$a $a,la encon$rarás #n res#men de c&mo calc#lar las ma)ni$#des $ra,a-o* calor + %ariaci&n de ener)!a in$erna 'ara cada $rans(ormaci&n0
PROBLEMAS RESUELTOS >0 Una masa m>0B <) de a)#a e5'erimen$a la $rans(ormaci&n A9CD re'resen$ada en la (i)#ra0 El calor la$en$e de %a'ori7aci&n del a)#a es L% B@ cal)* el calor es'ec!(ico del a)#a es c > cal)C + el del %a'or de a)#a es c% @0F cal)C0
Res'onder a las si)#ien$es 're)#n$as6 a0 ¿En "#3 es$ado se enc#en$ra el a)#a en cada #no de los '#n$os de la $rans(ormaci&n re'resen$ados? ,0 Calc#lar el calor in$ercam,iado 'or el a)#a en cada #na de las e$a'as de la $rans(ormaci&n as! como en la $rans(ormaci&n com'le$a0 E5'resar los res#l$ados en el Sis$ema In$ernacional
F0 Un )as ideal dia$&mico se enc#en$ra inicialmen$e a #na $em'era$#ra T > =@@* #na 'resi&n
'> >@B :a + oc#'a #n %ol#men ; > @0 m=0 El )as se e5'ande adia,á$icamen$e 4as$a oc#'ar #n %ol#men ;F >0F m=0 :os$eriormen$e se com'rime iso$3rmicamen$e 4as$a "#e s# %ol#men es o$ra %e7 ;> + 'or 8l$imo %#el%e a s# es$ado inicial median$e #na $rans(ormaci&n is&cora0 Todas las $rans(ormaciones son re%ersi,les0 a0 Di,#-a el ciclo en #n dia)rama ';0 Calc#la el n8mero de moles del )as + la 'resi&n + la $em'era$#ra des'#3s de la e5'ansi&n adia,á$ica0 ,0 Calc#la la %ariaci&n de ener)!a in$erna* el $ra,a-o + el calor en cada $rans(ormaci&n0
PROBLEMAS RESUELTOS >0 Una masa m>0B <) de a)#a e5'erimen$a la $rans(ormaci&n A9CD re'resen$ada en la (i)#ra0 El calor la$en$e de %a'ori7aci&n del a)#a es L% B@ cal)* el calor es'ec!(ico del a)#a es c > cal)C + el del %a'or de a)#a es c% @0F cal)C0
Res'onder a las si)#ien$es 're)#n$as6 c0 ¿En "#3 es$ado se enc#en$ra el a)#a en cada #no de los '#n$os de la $rans(ormaci&n re'resen$ados? d0 Calc#lar el calor in$ercam,iado 'or el a)#a en cada #na de las e$a'as de la $rans(ormaci&n as! como en la $rans(ormaci&n com'le$a0 E5'resar los res#l$ados en el Sis$ema In$ernacional
F0 Un )as ideal dia$&mico se enc#en$ra inicialmen$e a #na $em'era$#ra T > =@@* #na 'resi&n '> >@B :a + oc#'a #n %ol#men ; > @0 m=0 El )as se e5'ande adia,á$icamen$e 4as$a oc#'ar
#n %ol#men ;F >0F m=0 :os$eriormen$e se com'rime iso$3rmicamen$e 4as$a "#e s# %ol#men es o$ra %e7 ;> + 'or 8l$imo %#el%e a s# es$ado inicial median$e #na $rans(ormaci&n is&cora0 Todas las $rans(ormaciones son re%ersi,les0 c0 Di,#-a el ciclo en #n dia)rama ';0 Calc#la el n8mero de moles del )as + la 'resi&n + la $em'era$#ra des'#3s de la e5'ansi&n adia,á$ica0 d0 Calc#la la %ariaci&n de ener)!a in$erna* el $ra,a-o + el calor en cada $rans(ormaci&n0
FISICA ELEMENTAL ¿Q#3 es la Ener)!a? La ener)!a es la 'ro'iedad o ca'acidad "#e $ienen los c#er'os + s#s$ancias 'ara 'rod#cir $rans(ormaciones a s# alrededor0 D#ran$e las $rans(ormaciones la ener)!a se in$ercam,ia median$e dos mecanismos6 en (orma de $ra,a-o o en (orma de calor0 Es$a ener)!a se de)rada .con%ier$e/ + se conser%a en cada $rans(ormaci&n* 'erdiendo ca'acidad de reali7ar n#e%as $rans(ormaciones* 'ero la ener)!a no '#ede ser creada ni des$r#ida* s&lo $rans(ormada* 'or lo "#e la s#ma de $odas las ener)!as en el #ni%erso es siem're cons$an$e0 Un o,-e$o 'erderá ener)!a en #na $rans(ormaci&n* 'ero esa '3rdida de ener)!a irá a 'arar
FISICA ELEMENTAL ¿Q#3 es la Ener)!a? La ener)!a es la 'ro'iedad o ca'acidad "#e $ienen los c#er'os + s#s$ancias 'ara 'rod#cir $rans(ormaciones a s# alrededor0 D#ran$e las $rans(ormaciones la ener)!a se in$ercam,ia median$e dos mecanismos6 en (orma de $ra,a-o o en (orma de calor0 Es$a ener)!a se de)rada .con%ier$e/ + se conser%a en cada $rans(ormaci&n* 'erdiendo ca'acidad de reali7ar n#e%as $rans(ormaciones* 'ero la ener)!a no '#ede ser creada ni des$r#ida* s&lo $rans(ormada* 'or lo "#e la s#ma de $odas las ener)!as en el #ni%erso es siem're cons$an$e0 Un o,-e$o 'erderá ener)!a en #na $rans(ormaci&n* 'ero esa '3rdida de ener)!a irá a 'arar a o$ro si$io* 'or e-em'lo se '#ede $rans(ormar en calor0 En de(ini$i%a la ener)!a es la ca'acidad de reali7ar cam,ios o $ra,a-o0 Un e-em'lo* si #n coc4e se m#e%e es 'or"#e $iene ener)!a* "#e se la 'ro'orciona la )asolina c#ando la "#emamos en el mo$or* 'or eso se m#e%e0 YLa )asolina $iene ener)!aZ* ener)!a "#e $rans(ormamos 'ara "#e se m#e%a el coc4e0 E5'licaci&n de los Cam,ios o Ener)!a Como %es en e-em'lo la ener)!a de la )asolina se 4a $rans(ormado en mo%imien$o en el coc4e* no se 4a 'erdido* se 4a $rans(ormado0 Una 'ar$e de esa ener)!a se 4a,rá 'erdido en (orma de calor + de ro7amien$o del
coc4e con el as(al$o0 El c&m'#$o $o$al de ener)!a mo%imien$o coc4e calor ro7amien$o será i)#al a la ener)!a "#e $en!a la )asolina0 :or eso 'odemos decir "#e6
[LA ENERJA NI SE CREA NI SE DESTRU\E* SOLO SE TRANSORMA[ Una %e7 "#e la )asolina 4a 'erdido s# ener)!a* es$a* 4a 'asado al coc4e + al aire en (orma de calor0 Como %es a#n"#e la )asolina +a no $en)a ener)!a* esa ener)!a solo se 4a $rans(ormado* no se 4a des$r#ido0 La ener)!a se mani(ies$a en los cam,ios (!sicos* 'or e-em'lo* al ele%ar #n o,-e$o* $rans'or$arlo* de(ormarlo o calen$arlo0 La ener)!a es$á 'resen$e $am,i3n en los cam,ios "#!micos* como al "#emar #n $ro7o de madera o en la descom'osici&n de a)#a median$e la corrien$e el3c$rica0 En (!sica* ener)!a es la ca'acidad "#e $iene #n c#er'o 'ara 'rod#cir $ra,a-o* o $am,i3n* la (#er7a "#e 'rod#ce #n $ra,a-o0 La ener)!a se '#de 'resen$ar en la na$#rale7a de di(eren$es (ormas $rans(orma,les en$re s!6 ener)!a $3rmica* mecánica* "#!mica* el3c$rica* n#clear + elec$roma)n3$ica en$re o$ras0 :or e-em'lo la ener)!a e&lica es la ener)!a con$enida en #na corrien$e de aire* + "#e es ca'a7 de so'lar la %ela de #n ,arco o de mo%er las as'as de #n aero)enerador* )enerando $ra,a-o0 En (!sica 4a+ #n $i'o de ener)!a m#+ im'or$an$e* la ener)!a mecánica* $am,i3n conocida como ener)!a mo$ri7 o del mo%imien$o + es la ener)!a "#e m#e%e $odo6 los coc4es* el %ien$o* las olas o los 'lane$as000 :ero es$e $i'o de ener)!a es la s#ma de o$ras dos6 la ener)!a 'o$encial + la ener)!a cin3$ica* "#e son las "#e es$#diaremos a"#!0 Em E' Ec ¿C&mo Medimos la Ener)!a? La #nidad en el sis$ema in$ernacional es el #lio* en 4onor de ames :0o#le0 C#ando 4a,lamos de ener)!a calor!(ica se s#ele #$ili7ar la calor!a0 Una calor!a es la can$idad de calor necesaria 'ara ele%ar en #n )rado la $em'era$#ra de #n )ramo de a)#a0 > #lio @*Fcalorias0 :ara e5'resar m8l$i'los de es$as #nidades se #$ili7an los 're(i-os ilo ./* "#e e"#i%ale a >@@@ #nidades Me)a .M/* "#e e"#i%ale a >0@@@0@@@ de #nidades* e$c0
ENERGÍA CINÉTICA Es la ener)!a "#e 'oseen los c#er'os "#e es$án en mo%imien$o0 Un coc4e si es$á 'arado + lo 'onemos en mo%imien$o* "#iere decir "#e 4a ad"#irido #na ener)!a de al)8n si$io + "#e se 4a $rans(ormado en mo%imien$o0 Es$a ener)!a "#e $iene a4ora es #na ener)!a 'o$encial o de mo%imien$o0 Los c#er'o ad"#ieren ener)!a cin3$ica al ser acelerados 'or acci&n de (#er7as* o lo "#e es lo mismo* c#ando se reali7a #n $ra,a-o so,re ellos0 :ara calc#lar la ener)!a cin3$ica de #n c#er'o .siem're es$ará en mo%imien$o/ será6 Donde [m[ es la masa del c#er'o* o,-e$o o s#s$ancia e5'resada en ilo)ramos + [%[ s# %elocidad en me$rosse)#ndo0 Si 'onemos la masa + la %elocidad en es$as #nidades el res#l$ado nos dará la ener)!a en #lios0 E-ercicio6 Calc#la la ener)!a cin3$ica de #n coc4e de K@ <) "#e se m#e%e a GF =*]ms0 A4ora es ,ien (ácil* solo 4a+ "#e a'licar la (&rm#la6 Ec >F K@) 5 >=*] Fms =0@@@#lios
ENERGIA POTENCIAL Se dice "#e #n o,-e$o $iene ener)!a c#ando es$á en mo%imien$o* 'ero $am,i3n '#ede $ener ener)!a 'o$encial* "#e es la ener)!a asociada con la 'osici&n del o,-e$o0 A di(erencia de la ener)!a cin3$ica* "#e era de #n 8nico $i'o* e5is$en = $i'os de ener)!a 'o$encial6'o$encial )ra%i$a$oria* 'o$encial elás$ica + 'o$encias el3c$rica0 ENERJA :OTENCIAL JRA;ITATORIA Es la "#e se 'oseen los o,-e$os 'or es$ar si$#ados a #na cier$a al$#ra0 Si colocas #n ladrillo a > me$ro de al$#ra + lo s#el$as* el ladrillo caerá al s#elo* es$o "#iere decir "#e al s#,irlo a > me$ros el ladrillo ad"#iri& ener)!a0 Es$a ener)!a realmen$e es de,ido a "#e $odos los c#er'os de la $ierra es$amos some$idos a la (#er7a )ra%i$a$oria0 Si lo colocamos a F me$ros el ladrillo 4a,rá ad"#irido más ener)!a "#e a > me$ro* es decir de'ende de la 'osici&n del ladrillo* 'or eso es ener)!a 'o$encial0 ¿C&mo calc#lamos la ener)!a 'o$encial? :#es es m#+ sencillo* solo 4a+ "#e a'licar la si)#ien$e (&rm#la6 Donde [m[ es la masa en ilo)ramos* [)[ el %alor de la )ra%edad .]*ms F/ + [4[ la al$#ra a la "#e se enc#en$ra e5'resada en me$ros0 Con es$as #nidades el res#l$ado nos dará en #lios0 !-a$e "#e si el c#er'o se enc#en$ra en el s#elo .s#'er(icie $erres$re/ 4@* s# ener)!a 'o$encial )ra%i$a$oria será @ #lios0 Un e-em'lo más de es$e $i'o de ener)!a ser!a #na ca$ara$a0 El a)#a en la 'ar$e de arri,a $iene la 'osi,ilidad de reali7ar $ra,a-o al caer* 'or eso decimos "#e $iene ener)!a* más concre$amen$e ener)!a 'o$encial0 ¿Q#3 'asa c#ando el a)#a cae? :#es "#e %a ad"#iriendo %elocidad + 'erdiendo al$#ra* es decir %a ad"#iriendo ener)!a cin3$ica + 'erdiendo ener)!a 'o$encial0 #s$o c#ando el a)#a lle)a a la 'ar$e de a,a-o $oda la ener)!a 'o$encial "#e $en!a se 4a,rá $rans(ormado en ener)!a cin3$ica .%elocidad/ "#e 'odrá desarrollar #n $ra,a-o al )ol'ear en las 'alas de la cen$ral 4idrá#lica0
Como %es la ener)!a cin3$ica + la 'o$encial )ra%i$a$oria* m#c4as %eces* es$án relacionadas6 E-ercicio6 ¿Q#3 ener)!a 'o$encial $iene #n ascensor de @@ ) en la 'ar$e s#'erior de #n edi(icio* a =@ m so,re el s#elo? S#'on)a "#e la ener)!a 'o$encial en EL SUELO ES @0
ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA Es la ener)!a "#e se li,era c#ando #n m#elle o #n resor$e "#e es$a,a com'rimido* se s#el$a0 La ener)!a "#e $endrá de'enderá de la de(ormaci&n s#(rida 'or el m#elle* más de(ormaci&n "#iere decir más ener)!a0 Es$a ener)!a se '#ede #$ili7ar 'ara desarrollar $ra,a-o* 'or e-em'lo 'ara im'#lsar #na 'elo$a0
¿C&mo calc#lamos la ener)!a 'o$encial elás$ica? Usamos la si)#ien$e (&rm#la6
Donde [[ es #na cons$an$e elás$ica carac$er!s$ica de cada m#elle medida en Nm .ne^$ons 'ar$ido 'or me$ros/ + [5[ es la lon)i$#d "#e ad"#iere el m#elle o el des'la7amien$o o de(ormaci&n desde la 'osici&n normal medido en me$ros .es$iramien$o del m#elle/0 Con es$as #nidades el res#l$ado será en #lios0 E-ercicio6 Una (#er7a de B@ N es$ira cier$o resor$e #na dis$ancia de @0>B@ m ¿Q#3 ener)!a 'o$encial $iene el resor$e c#ando #na masa de K@ ) c#el)a %er$icalmen$e de 3l? Sol#ci&n6 :ara conocer la ener)!a 'o$encial elás$ica almacenada en el resor$e* se de,e conocer la cons$an$e de (#er7a del resor$e + s# de(ormaci&n ca#sada 'or el 'eso de la masa de K@ )0 Una (#er7a de B@ N es$ira el resor$e 4as$a @0>B@ m0 La cons$an$e de (#er7a es6 < e 5 B@ N @0>B@ m =K@@ N m0 L#e)o* la de(ormaci&n 5 del resor$e ca#sada 'or el 'eso del ,lo"#e es6 5 e < .m_)/ < 5 ..K@ )/_.]0 ms`F// .=K@@ Nm/ @0>K= m La ener)!a 'o$encial elás$ica almacenada en el resor$e es6 E'el >F _ .=K@@ Nm/ _ .@0>K= m/`F G0F
ENERGIA POTENCIAL ELECTRICA Si $enemos #n o,-e$o con #n 'o$encial el3c$rico .$ensi&n/ + es$á den$ro de #n cam'o el3c$rico0 Concre$amen$e la de(inici&n ser!a6 Ener)!a 'o$encial el3c$rica de #na car)a* en #n '#n$o de #n cam'o el3c$rico* es el $ra,a-o "#e reali7a el cam'o el3c$rico c#ando la car)a se $raslada desde ese '#n$o al in(ini$o0 !-a$e en la si)#ien$e ima)en0 Tenemos #na car)a den$ro de #n cam'o el3c$rico0 Si el cam'o el3c$rico es cero* la car)a no se mo%erá* a4ora en el momen$o "#e conec$emos la 'ila* se ac$i%ará el cam'o el3c$rico + la car)a se mo%erá* es decir el cam'o 4a 'ro'orcionado ener)!a a la car)a* es$a es la ener)!a 'o$encial el3c$rica0 Un o,-e$o '#ede $ener ener)!a 'o$encial el3c$rico en %ir$#d de dos elemen$os cla%e6 s# 'ro'ia car)a el3c$rica + s# 'osici&n rela$i%a a o$ros o,-e$os car)ados el3c$ricamen$e0 Un e-em'lo6 #na car)a e-ercerá #na (#er7a so,re c#al"#ier o$ra car)a + la ener)!a 'o$encial s#r)e del con-#n$o de car)as0 :or e-em'lo* si (i-amos en c#al"#ier '#n$o del es'acio #na car)a 'osi$i%a Q* c#al"#ier o$ra car)a 'osi$i%a "#e se $rai)a a s# cercan!a* e5'erimen$ará #na (#er7a de re'#lsi&n + 'or lo $an$o $endrá ener)!a 'o$encial0
En la ima)en $am,i3n %emos la (&rm#la de la Ener)!a :o$encial El3c$rica0 Res#miendo* es la "#e es$á en la 'ila* o en la ,a$er!a* o en el mismo enc4#(e + "#e al ser #$ili7ada se $rans(orma en ener)!a el3c$rica0
En elec$ricidad* normalmen$e es más con%enien$e #sar la ener)!a 'o$encial el3c$rica 'or #nidad de car)a* llamado 'o$encial el3c$rico* %ol$a-e o $ensi&n0 Es$a (&rm#la dice "#e la ener)!a 'o$encial es 'osi$i%a c#ando las car)as $ienen el mismo si)no .se re'elen/ + ne)a$i%a c#ando $ienen si)nos o'#es$os .se a$raen* + se dice "#e el sis$ema es$á li)ado/0 E-ercicio6 Dos car)as "> + "F de BmC + =mC se enc#en$ran se'aradas en el %ac!o #na dis$ancia de B@ cm0 :os$eriormen$e la dis$ancia es de > m0 Sa,iendo "#e "> es$á (i-a + "F es m&%il* calc#lar la ener)!a 'o$encial inicial + (inal de "F0
Ener)!a Mecánica Como +a sa,emos es la s#ma de la cin3$ica + la 'o$encial0 En c#al"#ier sis$ema 'ara calc#lar la ener)!a mecánica solo $endr!amos "#e calc#larlas 'or se'arado + al (inal s#marlas0 !-a$e en la ima)en si)#ien$e0
C#ando es$á arri,a 'arado solo $iene ener)!a 'o$encial )ra%i$a$oria0 C#ando em'ie7a 4a descender* como en la ima)en* em'ie7a a )anar %elocidad + 'or $an$o ener)!a cin3$ica + a 'erder 'o$encial 'or"#e 'ierde al$#ra0 En #n '#n$o como en el "#e es$á en la (i)#ra* +a em'e7& a descender* $endrá #na ener)!a cin3$ica + #na 'o$encial* es decir $iene #na ener)!a mecánica* "#e será la s#ma de las dos como +a %imos6 Em E' Ec
