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UNIVERSIDAD LAICA ELOY ALFARO DE MANABÍ FACULTAD INGENIERIA INDUSTRIAL ENSAYO
FISICA II SEGUNDO PARCIAL
APELLIDOS Y NOMBRES DEL ESTUDIANTE
YOZA SALAZAR CALIXTO RUPERTO
TEMA:
TERMODINAMICA
NOMBRE DEL DOCENTE
ING. JOSE PATRICIO BARBERAN CEVALLOS
SEMESTRE Y PARALELO 2DO SEMESTRE “C”
PERIODO 2017 / 2018 (1)
Contenido
1.
INTRODUCCIÓN................................................................................................................... 1
2.
TERMODINÁMICA. ............................................................................................................... 1 2.1.
ENERGÍA INTERNA...................................................................................................... 1
2.2.
EQUILIBRIO TERMODINÁMICO .................................................................................. 2
3.
LEYES DE LA TERMODINÁMICA ........................................................................................ 2 3.1.
LEY CERO DE LA TERMODINAMICA ......................................................................... 2
3.2.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA ................................................................... 2
3.3.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA .................................................................. 3
3.4.
TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA .................................................................. 3
4.
ENUNCIADOS DE LA TERMODINAMICA ........................................................................... 3 4.1.
ENUNCIADO DE KELVIN ............................................................................................. 3
4.2.
ENUNCIADO DE CLAUSIUS ........................................................................................ 3
4.3.
ENUNCIADO DE KELVIN - PLANCK ........................................................................... 3
5.
TERMOMETRÍA .................................................................................................................... 4 5.1.
ESCALAS DE TEMPERATURA.................................................................................... 4
5.2.
ESCALA DE FAHRENHEIT .......................................................................................... 4
5.3.
ESCALA CELSIUS ........................................................................................................ 4
5.4.
ESCALA KELVIN........................................................................................................... 4
6.
SISTEMA Y AMBIENTE ........................................................................................................ 5 6.1.
VARIABLES TÉRMICAS ............................................................................................... 5
6.2.
EL FOCO TÉRMICO ..................................................................................................... 5
6.3.
CONTACTO TÉRMICO ................................................................................................. 5
6.4.
VASO TÉRMICO O VASO DEWAR.............................................................................. 5
7.
MAQUINA DE VAPOR .......................................................................................................... 6
8.
PROCESOS TERMODINÁMICOS........................................................................................ 6 8.1.
RENDIMIENTO TERMODINÁMICO O EFICIENCIA .................................................... 7
8.2.
TEOREMA DE CARNOT .............................................................................................. 7
8.3.
DILATACIÓN TÉRMICA ................................................................................................ 7
8.4.
DILATACIÓN LINEAL.................................................................................................... 8
8.5.
DILATACIÓN SUPERFICIAL ........................................................................................ 8
8.6.
DILATACIÓN VOLUMÉTRICA ...................................................................................... 8
9. 10.
CONCLUSIÓN....................................................................................................................... 9 BIBLIOGRAFIA................................................................................................................ 10
1. INTRODUCCIÓN
En este ensayo presentare todo sobre la termodinámica intentando que sea de buen agrado, se tratará información completa y detallada sobre la termodinámica y todos sus componentes. Se mostrará mucha información resumida para que pueda ser comprendido de una manera más fácil y práctica. También se mostraran las leyes y los enunciados que se encuentran dentro del ramo de la termodinámica. Se mostraran por igual los mecanismos, sistemas u objetos que funcionan por medio o gracias a la termodinámica, algunos de ellos son el vaso térmico o la máquina de vapor. 2. TERMODINÁMICA.
La Termodinámica es la rama de la física que describe los estados del equilibrio a través de la energía interna y volumen, también de magnitudes de temperatura y presión que son derivados del volumen y la energía interna. La termodinámica trata acerca de la transformación de energía térmica en energía mecánica y el proceso inverso, la conversión del trabajo en calor, pues casi toda la energía disponible de la materia prima se libera en forma de calor. Resulta fácil advertir por que la termodinámica tiene un papel demasiado importante en la ciencia y la tecnología. 2.1.
ENERGÍA INTERNA
La energía interna, se acepta como una manifestación macroscópica de las leyes de conservación de la energía a nivel microscópico, que permite caracterizar el estado energético del sistema macroscópico. El desarrollo de la termodinámica depende mucho del sistema termodinámico, el equilibrio, sus alrededores, y la temperatura. Las moléculas de un cuerpo contienen energía cinética por su movimiento y energía potencial por las fuerzas que ejercen entre sí por lo tanto la energía interna de un cuerpo es la suma de la energía cinética y potencial de sus moléculas.
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2.2.
EQUILIBRIO TERMODINÁMICO
El equilibrio termodinámico es aquel en el que dos sistemas se encuentran sus temperaturas, sus presiones y sus potenciales químicos con el mismo valor. 3. LEYES DE LA TERMODINÁMICA
En la termodinámica se encuentran tres leyes, el principio cero y varios enunciados. Todos estos tienen mucha importancia en la termodinámica porque en parte nos ayudan a entender y comprender esta rama de la física. 3.1.
LEY CERO DE LA TERMODINAMICA
El principio cero de la termodinámica propone que hay una temperatura empírica 0, que se encuentra comúnmente en los estados del equilibrio termodinámico que están en equilibrio mutuo. Este principio es muy fundamental para la termodinámica y sus leyes, pero no fue formulado en su totalidad hasta que fueron presentadas las demás leyes, por eso recibe el nombre de principio cero. Una de las afirmaciones del principio cero es: "Si un sistema A que está en equilibrio térmico con un sistema B, está en equilibrio térmico también con un sistema C, entonces los tres sistemas A, B y C están en equilibrio térmico entre sí". 3.2.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
“La energía no se crea, ni se destruye solo se transforma.”
Esta primera ley establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Desde varios puntos de vista esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824 y su ecuación general es la siguiente: ∆ = ∆ + ∆
Que nos indica que U es la energía interna del sistema, Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.
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El valor de Q es positivo cuando entra calor al sistema y negativo si sale de él. El valor de W es positivo si el sistema realiza trabajo y negativo si se efectúa trabajo de los alrededores sobre el sistema. 3.3.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Esta ley establece la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. También impone restricciones para las transferencias de energía que pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero. 3.4.
TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Esta ley propone y afirma que es posible alcanzar una temperatura de cero absolutos por medio de procesos físicos. Esta ley fue propuesta por Walther Nernst. 4. ENUNCIADOS DE LA TERMODINAMICA 4.1.
ENUNCIADO DE KELVIN
“No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente, y lo convierta íntegramente en trabajo.”
4.2.
ENUNCIADO DE CLAUSIUS
"No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada". 4.3.
ENUNCIADO DE KELVIN - PLANCK
“Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no
produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito, y la realización de una cantidad igual de trabajo.”
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5. TERMOMETRÍA
La termometría es la rama encargada de medir la temperatura de los cuerpos y sistemas mediante el termómetro que está realizado y basado por medio del principio Cero. 5.1.
ESCALAS DE TEMPERATURA
Para entender las escalas de la temperatura se puede obtener como ejemplo el termómetro, un instrumento para medir la temperatura, que es realizado a través de procesos en los cuales la temperatura permanece constante. El punto de ebullición es un punto importante para lograr estos procesos de escalas de temperatura. Las escalas de temperatura más importantes son la de Fahrenheit, Celsius y la de Kelvin. 5.2.
ESCALA DE FAHRENHEIT
Para lograr esta escala se utilizaron puntos fijos, el de solidificación y el de la ebullición del cloruro amónico en agua, y se dice que es grado ° Fahrenheit y se expresa F° 5.3.
ESCALA CELSIUS
Para esta escala se utilizan como puntos fijos el punto de solidificación del agua y de ebullición del agua, 100 grados para la ebullición y 0 para la solidificación, para estos grados se escriben como ° C. 5.4.
ESCALA KELVIN
En este caso, la escala fue establecida por la escala kelvin, donde el valor de 0° corresponde al cero absoluto, temperatura en la cual las moléculas y átomos de un sistema tienen la mínima energía térmica posible. Ningún sistema macroscópico puede tener una temperatura inferior.
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6. SISTEMA Y AMBIENTE
Se puede definir un sistema como un conjunto de materia, que está limitado por una superficie, que le pone el observador, real o imaginaria. Si en el sistema no entra ni sale materia, se dice que se trata de un sistema cerrado, o sistema aislado si no hay intercambio de materia y energía, dependiendo del caso. En la naturaleza, encontrar un sistema estrictamente aislado es, por lo que sabemos, imposible, pero podemos hacer aproximaciones. Un sistema del que sale o entra materia, recibe el nombre de abierto. 6.1.
VARIABLES TÉRMICAS
Las variables que tienen relación con el estado interno de un sistema, se llaman variables termodinámicas o coordenadas termodinámicas, y entre ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son: masa, densidad, volumen, presión y temperatura. 6.2.
EL FOCO TÉRMICO
El foco térmico es un sistema que puede dar y recibir calor sin que pueda cambiar su temperatura. 6.3.
CONTACTO TÉRMICO
Se dice que dos sistemas están en contacto térmico cuando puede haber transferencia de calor de un sistema a otro. 6.4.
VASO TÉRMICO O VASO DEWAR
Es un recipiente diseñado para proporcionar aislamiento térmico, disminuir las pérdidas de calor por conducción, convección o radiación. Se utiliza para almacenar líquidos, fríos o calientes. Funciona por medio de una doble pared que por intermedio tiene vacío
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7. MAQUINA DE VAPOR
Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas: 1 Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela - manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia. 2 El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro. 8. PROCESOS TERMODINÁMICOS
Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son: Procesos isotérmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia. Procesos isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varía. Procesos isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante. Procesos adiabáticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna. Procesos diatérmicos: son procesos que dejan pasar el calor fácilmente. Por ejemplo, dentro de un termo donde se colocan agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso adiabático, ya que el agua caliente se empezará a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezará a derretir hasta que ambos estén en equilibrio térmico, sin embargo no hubo transferencia de 6
calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de un proceso adiabático. 8.1.
RENDIMIENTO TERMODINÁMICO O EFICIENCIA
Un concepto importante en la ingeniería térmica es el de rendimiento. El rendimiento de una máquina térmica se define como: =
Donde, dependiendo del tipo de máquina térmica, estas energías serán el calor o el trabajo que se transfieran en determinados subsistemas de la máquina. 8.2.
TEOREMA DE CARNOT
Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824 demostró que el rendimiento de alguna máquina térmica que tuviese la máxima eficiencia posible (a las que en la actualidad se denotan con su nombre) y que operase entre dos termostatos (focos con temperatura constante), dependería sólo de las temperaturas de dichos focos. Por ejemplo, el rendimiento para un motor térmico de Carnot viene dado por: = 1 −
Donde Tc y Tf son las temperaturas del termostato caliente y del termostato frío, respectivamente, medidas en Kelvin. Este rendimiento máximo es el correspondiente al de una máquina térmica reversible, la cual es sólo una idealización, por lo que cualquier máquina térmica construida tendrá un rendimiento menor que el de una máquina reversible operando entre los mismos focos. 8.3.
DILATACIÓN TÉRMICA
La dilatación térmica corresponde al efecto en el cual, las sustancias se "agrandan" al aumentar la temperatura. En objetos sólidos, la dilatación térmica produce un cambio en las dimensiones lineales de un cuerpo, mientras que en el caso de líquidos y gases, que no tienen forma permanente, la dilatación térmica se manifiesta en un cambio en su volumen. 7
8.4.
DILATACIÓN LINEAL
Consideremos primero la dilatación térmica de un objeto sólido, cuyas dimensiones lineales se pueden representar por L, y que se dilata en una cantidad ΔL. Experimentalmente se ha encontrado que para casi todas las
sustancias y dentro de los límites de variación normales de la temperatura, la dilatación lineal ΔL es directamente proporcional al tamaño inicial L y al cambio en la temperatura Δt, es decir: ∝=
∆ .∆
Donde se llama coeficiente de dilatación lineal, cuya unidad es el recíproco del grado, es decir [°C]-1. 8.5.
DILATACIÓN SUPERFICIAL
Es el mismo concepto que el de dilatación lineal salvo que se aplica a cuerpos a los que es aceptable y preferible considerarlos como regiones planas; por ejemplo, una plancha metálica. Al serle transmitida cierta cantidad de calor la superficie del objeto sufrirá un incremento de área: ΔA. 2 ∝=
∆ . ∆
Donde γ se llama coeficiente de dilatación superficial.
8.6.
DILATACIÓN VOLUMÉTRICA
La dilatación volumétrica de un líquido o un gas se observa como un cambio de volumen ΔV en una cantidad de sustancia de volumen V0, relacionado con un cambio de temperatura Δt. En este caso, la variación de volumen ΔV es directamente proporcional al volumen inicial V0 y al cambio de temperatura Δt,
para la mayor parte de las sustancias y dentro de los límites de variación normalmente accesibles de la temperatura, es decir: =
∆ .∆
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Donde β se llama coeficiente de dilatación volumétrica, medida en la misma
unidad que el coeficiente de dilatación lineal 2 alfa. 9. CONCLUSIÓN
Mi conclusión sobre el trabajo de la termodinámica, es un proceso sobre la transformación de la energía, que es térmica en energía mecánica y también un proceso que trabaja con el calor y del trabajo en calor. Algo que aprendí bien sobre la termodinámica es que si a un cuerpo se le aplica o se le pone calor y no cambia su estado, su temperatura aumenta, y que gracias a este aumento de temperatura sus moléculas se mueven rápido y su energía cinética también aumenta y también su energía potencial y esto provoca que sus moléculas se separen. Y me logre dar cuenta que en resumen lo que trata más la termodinámica es que tanto el trabajo como el calor representan o realizan cambios que se acompaña de un cambio también de energía interna y que todo esto ocurre en un proceso que puede ser llamado proceso térmico o sistema térmico. También llegue a conclusión de que la termodinámica es un tema muy interesante y que es también muy cotidiano y nos puede ayudar a comprender algunas cosas que ocurren o de algunos objetos o aparatos que utilizamos a diario en estos días que hace mucho frio, como el vaso térmico, donde nos servimos nuestro café de diario, la termodinámica me ayudo a explicarme que para que se logren estos procesos se ocupan de paredes que ocupan estar separada para que el contenido no se relacione con el espacio exterior y no este como todos los productos normales que están a temperatura, sino que la temperatura de lo que adentro contiene este a una temperatura constante y que se pueda dar un equilibrio térmico. Otro ejemplo puede ser como las maquinas a vapor de algunos barcos o ferrocarriles que funciona a través de una caldera con vapor que está cerrada con calentamiento y que sigue un seguimiento a través de un cilindro que se expande su volumen logrando empujar un pistón hasta lograr un movimiento de rotación y por último el embolo regresa y expulsa el vapor del agua y el vapor del agua se controla por medio de unas válvulas que hacen acción de entrada y salida. 9
Mi conclusión en resumen es que es un tema demasiado interesante y tan cotidiano que de verdad vale la pena estudiarlo y tratar de aprender mucho sobre este tema ya que algún día nos puede servir de algo y también ayuda a resolver algunas de nuestras dudas.
10. BIBLIOGRAFIA
http://www.fis.usb.ve/termoRM.pdf
https://www.fisicalab.com/apartado/termodinamica-concepto
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo/Termo.html
https://es.khanacademy.org/science/biology/energy-and-enzymes/the-
laws-of-thermodynamics/a/the-laws-of-thermodynamics http://www.profesorenlinea.cl/fisica/termodinamNociones.htm
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