UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE FACULTAD DE EDUCACIÓN CIENCIA Y TECNOLOGÍA Nombre: Manuel Imbaquingo
Franklin Guancha José Miguel Carapaz Nivel:
3° FIMA
Fecha:
2 010 11 09 Primera Ley de la Termodinámica
Desde hace mucho tiempo atrás se efectuaron algunos experimentos en los que se llevó a cabo la medición del trabajo y el calor. Siempre que las mediciones fueron realizadas en forma cíclica (en primero y principalmente por Joule), se halló que el calor neto en el sistema era igual al trabajo neto. El principio de conservación de la energía relaciona el trabajo realizado en un gas con la energía interna del sistema. Para un sistema cerrado (de masa constante) la primera ley de la termodinámica se expresa matemáticamente por medio de: E T T es el cambio total de energía del sistema,
qu e el cambio Q es el calor agregado al sistema y W el trabajo realizado por el sist ema. Expresa que total de energía de un sistema cerrado es igual al calor transferido al sistema, menos el trabajo efectuado por el sistema. Si se expande E T T en la expresión de la primera ley, se obtiene la ecuación:
:
Cambio de energía interna.
:
cambio de su energía externa, cinética
y potencial respectivamente. respectivamente. En el caso frecuente donde las energías potencial y cinética (energía externa) del sistema no cambian, esta ecuación se convierte en:
o, en forma diferencial,
Y todo el intercambio de energía con el entorno sirve para cambiar sólo la energía interna. LA ENERGÍA INTERNA ES UNA PROPIEDAD TERMOSTÁTICA DE LA MATERIA , por lo que siempre que un sistema incr emente su en ergía, aparece en otro sistema la correspondiente correspondiente disminución de la misma, es decir, se establece una conservación de la energía que constituye la esencia del postulado d el Primer Principio de la Termodinámica.
Representa un cambio infinitesimal en el valor de U y la integración da una diferencia entre dos valores. valores.
Mie
s
e e
c
idad infinitesimal y la inte ación da una cantidad finita.
Cons
ión ión d l
n gí
LA ENERGÍA NI SE CREA NI SE DES RUYE, SOLO SE TRANSFORMA, que también se puede e presar c mo, La cantidad de energía en el Universo sólo puede modificarse por un cambio equivalente en la cantidad de materia. Este Principio establece la imposibilidad de la e istencia del móvil perpetuo de primera especie, es decir, ninguna máquina puede producir un traba jo sin el correspondiente consumo de energía.
En gí int n (U)
La variación de la energía U en un proceso, es la suma del traba jo y del calor intercambiado entre el sistema y sus alrededores. Si se desprecia el resto de formas de energía, la energí a interna se debe a la energía acumulada por las moléculas del sistema. No se pueden obtener valores absolutos de H, U. La energía interna de una sustancia no incluye las energías potencial y cinética asociadas a una sustancia como r esultado de las interacciones entre sus campos de fuerza y su posición espacial (energía potencial) o de su movimiento macroscópico (energía cinética), que son formas e ternas de energía; la energía interna se refiere a la energía de las moléculas constitutivas de la sustancia, que se encuentran en movimiento continuo y poseen cinética ca inética de traslac slación ión y (a e cepción de las moléculas monoatómicas) energí a cinéti energí cinética ación interna. La aplicación de calor a una sustancia incrementa esta de rotac otación ión y vibración actividad molecular por lo qu e origina un aumento en su energía interna.
E= U = Q - W
U2 U1 =Q - P(V2 -V1 )
U 2 U1 = Q - W ,
Q = ( U2 PV PV2) (U 1 - PV1) = H 2 -H1= H
U= f (V,T,Conc)
H = U + (PV)
W= P(V2 - V1 )
H = f (P,T,Conc)
Enta ntalpí a (H)
Cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción. En un cambio de fase, por ejemplo de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado d e variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante. La e presión (u + pv) se conoce como entalpía, y se representa con la letra H.
Donde U es la energía interna, p es la presión y V es el volumen. H se
mide en julios.
La entalpia tiene unidades de energía, pero no es una f or or a de energía. En diversos modos de e presión el cambio de entalpia está dado por: dh = du + d(pv)
h = u + (pv)
o bien, h2 -h1 = U2-U1 + P2 V 2- P1 V 1
Para el caso de una masa unitaria, y lo anterior se aplica a cualquier sustancia. Como la energía interna U la entalpia se mide a partir de un valor de ref erencia conveniente. Sistemas
Termodin
icos
m
Sistema
Se puede definir un sistema como un con junto de materia, que está limitado por una superficie, que le pone el observador, real o imaginaria. y
y
y
Un sistema abierto: es cuando e iste un intercambio de masa y de energía con los alrededores; es por ejemplo, un coc e. Le ec amos combustible y él desprende dif erentes gases y calor. Un sistema cerrado: es cuando no e iste un intercambio de masa con el medio circundante, sólo se puede dar un intercambio de energía; un relo j de cuerda, no introducimos ni sacamos materia de él. Solo precisa un aporte de energía que emplea para medir el tiempo. Un sistema aisla islado: es cuando no e iste el intercambio ni de masa y energía con los alrededores; ¿Cómo encont rar o nt eract uar con él? Sin embargo un rar o si no podemos i nt termo lleno d e comida caliente es una aproximación, ya qu e el envase no p ermite el intercambio de materia e intenta impedir que la energía (cal or or ) salga de él.
Aplicaciones
y
Un
de la primera ley
Procesos isobáricos y el dia rama P-V
gas encerrado en un cilindro equipado con un émbolo móvil y sin fricción.El calor puede fluir hacia
dentro o fuera del d el gas a través de las paredes del cilindro.
Un
proceso isobárico es un proceso
termodinámico que sucede a presión constante.
Cuand o un pr oceso termo dinámico dinámico implica ca mbios en el volumen, en la presión presión o en ambos factores, el trabajo realizado por el sistema es igual al área bajo la curva en un diagrama P-V . Procesos adiabáticos
Es cuando un sistema no gana ni pierde calor, es decir,Q = . Este proces proceso o puede realizarse realiza rse rodeando rodeand o el sistema sistema de material material aislante aislante oefectuándolo mu y rápidamente, rápida mente, para p ara que qu e no n o ha ya intercambio de calor calo r con c on el exte exteri rior ory se dice que el sistemaestá rodeado por pa paredes redesad iabáti iabáti cas Un
proceso adiabático es aquel en el que no hay intercambio de energía térmica Q entre un
sistema y sus alrededores.
U2 U1 = -W
Generalmente, la disminución de energía térmi rmica va acompañada de un descenso en la temperatura. (-W e es positi El traba jo realizado sobr obre el sistema (-W itivo) se convierte en energía interna, o, inversamente, si el sistema realiza traba jo (-W es negativo), la energía interna disminuye. Un proces o de estrangulac ngulación ión es aquel e n el que el fluido a alta pr esión se filtra adiabáti cam ente, ya sea a través de una pared porosa o de una abertura estrec a, hacia una región de ba ja presión.
ocesos sos iso isocóricos
r
Otro esenta por e el sistema ni sobr tro caso especial de la primera ley se prese nta cuando no se realizó traba jo, ni por obr e el sistema. Este tipo de pro ceso se cono eso iso isocór i ic o. También recibe el nombre de proces onoce como proceso pro proceso eso iso isov olumét rí haber cambio de volumen sin la realización de traba jo. rí co porque no puede hab
Un proces o isocórico es aquel en el que el volumen del sistema permanece constant e.
U 2 - U l =Q
Pr oceso
isotérmico
Un gas puede comprimirse en un cilindro de forma tan lenta que prá prácticamente permanece en equilibrio térmi rmico con sus alr alrededor dores. La presión aumenta a medida que el volumen disminuye, pero la temperatura es prá prácticamente constante.
Un proceso isotérmico es aquel en el que la temperatura del sistema permanece constante. Si no hay cambio de fase, una temperatura constante indica que no hay cambio en la energía interna del sistema.
Conc onclusiones y
y
y
y
y
y
La primera ley de la termodinámica está basada en el principio general de la conservación de la energía: Nada se crea, nada se destruye todo se transforma. Aplicar esta ley en circunstancias variables desarrollará medios sencillos, pero poderosos, para resolver problemas termodinámicos con cierto grado de refinamiento. La primera ley demuestra que el calor neto que entra o sale de un sistema es igual al traba jo neto que ef ec ectúa o admite el mismo. La cantidad de energía transf erida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transf erida en forma de traba jo sobre el sistema debe ser igual al aum ento de la energía interna del sistema. El calor y el traba jo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí. La primera ley afirma que el calor y el traba jo son interconvertibles.
