Monografia Fisico Quimica

UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN

U

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTALOXAPAMPA

ASIGNATURA

:

 FISICOQUÍMICA DOCENTE

:

 Ing. RAMOS PEÑALOZA, Edson

ESTUDIANTES

:

 ACOSTA PASCUAL, Jhansel BECERRA MATIAS, Giussepe CARO RECINES, Josué GUTIERREZ MENDIZABAL, Edgar  TAPIA, Aaron   

SEMESTRE

: V

FISICOQUÍMICA

IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN EL ESTUDIO DE LA ATMOSFERA

UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN Facultad de Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Ambiental - Oxapampa

Oxapampa, 03 de julio del 2017. Contenido CAPITULO I.....................................................................................................................................5 IMPORTANCIA DELA TERMODINÁMICA EN LA ATMOSFERA..............................................5 1.

La termodinámica................................................................................................................5

2.

Historia de la termodinámica..............................................................................................6

3.

La Atmosfera........................................................................................................................8 3.1 Composición de la Atmosfera..........................................................................................8 3.2

Capas de la Atmosfera de la Tierra...........................................................................9

3.3 Termodinámica de la Atmosfera....................................................................................10 3.4 La atmósfera como sistema termodinámico................................................................11 CONCLUSIONES..........................................................................................................................16

BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................................................17

IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN EL ESTUDIO DE LA ATMÓSFERA

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INTRODUCCIÓN Gracias a los distintos estudios enfocados a la atmosfera, y el desarrollo de la termodinámica con aplicación hacia la denominada capa se puede decir que La termodinámica atmosférica pertenece a las ciencias de la atmósfera, que está dentro de las ciencias de la tierra y del espacio. La termodinámica de la atmósfera se basa en observaciones atmosféricas y trata de establecer modelos termodinámicos que sirvan de diagnóstico y ayuden en la predicción fiable para nuestra mejor defensa y provecho de los fenómenos naturales (meteorología, aeronáutica), y nuestro deseo de creación y control de sistemas artificiales que sustituyan o modifiquen a los naturales (sistemas de soporte de vida, atmósferas industriales controladas).

OBJETIVOS GENERAL: 

Conocer hacia qué fenómenos y componentes de la atmosfera se basa el estudio de la termodinámica atmosférica.

ESPECÍFICOS: 

Reconocer a los científicos notables que fueron los precursores del estudio

  

de la termodinámica. Reconocer el campo de estudio de la termodinámica. Reconocer la composición de la atmosfera y definir si es un sistema. Reconocer los distintos procesos termodinámicos que se presentan en la atmosfera.


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CAPITULO I

IMPORTANCIA DELA TERMODINÁMICA EN LA ATMOSFERA 1. La termodinámica Según [ CITATION Fis \l 10250 ], La termodinámica es la parte de la física que se encarga de la relación entre el calor y el trabajo. [ CITATION Gui \l 10250 ] Afirma que: La Termodinámica se ocupa del estudio de

sistemas físicos con un número muy grande de partículas, del orden del número de Avogadro. El gran número de grados de libertad implica que la resolución de las ecuaciones del movimiento de todas las partículas es imposible, ya que no solamente tenemos un número inmenso de ecuaciones diferenciales, sino que, además, las condiciones iniciales son imposibles de determinar. La [ CITATION RAE \l 10250 ] La define como: Rama de la física encargada del estudio de la interacción entre el calor y otras manifestaciones de la energía. 2. Historia de la termodinámica La historia de la termodinámica como una disciplina científica generalmente comienza con Otto Von Guericke quien, en 1650 diseño y construyo la primera bomba de vacío, para demostrar la existencia del vacío y refutar así la teoría de Aristoteles. Poco después en 1656, el físico y químico inglés Robert Boyle en coordinación con el científico también inglés Robert Hooke crearon la bomba de aire. Usando esta bomba Boyle y Hooke notaron una correlación entre presión, temperatura y volumen. Entonces, la ley de Boyle fue formulada, que establece que la presión y el volumen son inversamente proporcionales. Luego, en 1679, basado en estos conceptos, un asociado de Boyle llamado Denis Papin construyo el digestor a vapor, que era un recipiente cerrado con una tapa hermética que confinaba el vapor hasta que una alta presión fuese generada. IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN EL ESTUDIO DE LA ATMÓSFERA

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En 1798, Thompson demostró la conversión del trabajo mecánico en calor. Los conceptos fundamentales de capacidad calorífica y calor latente, que fueron necesarios para el desarrollo de la termodinámica, los desarrollo el profesor Joseph Black en la universidad de Glasgow. En la misma universidad, James Watt se propuso estudiar la magnitud del calor puesto en funcionamiento de la máquina, esto permitiría estudiar su rendimiento. Los aportes de Watt para mejorar el rendimiento de las maquinas fueron muchos, también acuño el termino trabajo de fuerza. En agosto de 1807 Robert Fulton puso en funcionamiento el primer barco de vapor de éxito comercial y en 1819 el buque de vapor norteamericano Savannah realizaba el primer viaje transatlántico. George Stephenson fue el primero que logro instalar una máquina de vapor en un vehículo terrestre, dando inicio a la era del ferrocarril. Todos estos trabajos llevaron a Sadi Carnot (considerado como "el padre de la termodinámica") a publicar "Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego" un discurso sobre el calor, poder, energía y eficiencia térmica que marcó el inicio de la termodinámica como ciencia moderna. En 1847, Joule formuló la ley de la conservación de la energía que afirma que la cantidad total de energía de cualquier sistema físico aislado permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otras formas de energía; en resumen: "la energía no puede crearse ni destruirse, solo puede cambiar de una forma a otra." El primer libro considerado de termodinámica fue escrito en 1859 por William Rankine, originalmente formado como físico e ingeniero civil y mecánico en la universidad de Glasgow. La primera y segunda ley de la termodinámica surgieron simultáneamente en 1850, principalmente de los trabajos de William Rankine, Rudolf Clausius y William Thomson (Lord Kelvin).


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Durante los años de 1873-76 el físico matemático Josiah Willard Gibbs publicó una serie de tres documentos, siendo el más conocido "Sobre el equilibrio de las substancias heterogéneas", en la que demostró como los procesos termodinámicos, incluyendo las reacciones químicas, pueden ser gráficamente analizados al estudiar la energía, entropía, volumen, temperatura y presión en los sistemas termodinámicos, de tal manera, se puede determinar si un proceso ocurrirá espontáneamente.

REPRESENTANTES DE LA TERMODINAMICA

3. La Atmosfera La atmósfera es la capa de gas que rodea a un cuerpo celeste. Los gases resultan atraídos por la gravedad del cuerpo, y se mantienen en ella si la gravedad es suficiente y la temperatura de la atmósfera es baja. Algunos planetas están formados principalmente por gases, por lo que tienen atmósferas muy profundas. Y también compuesta de nitrógeno y oxígeno. IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN EL ESTUDIO DE LA ATMÓSFERA

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La altura de la atmósfera de la Tierra alcanza los 10.000km, aunque más de la mitad de su masa se concentra en los seis primeros kilómetros y el 75 % en los primeros 11 km de altura desde la superficie planetaria. [ CITATION Men16 \l 10250 ] 3.1 Composición de la Atmosfera Casi la totalidad del aire (un 95 %) se encuentra a menos de 30 km de altura, encontrándose más del 75 % en la tropósfera. El aire forma en la troposfera una mezcla de gases bastante homogénea, hasta el punto de que su comportamiento es el equivalente al que tendría si estuviera compuesto por un solo gas. Los componentes más importantes de la atmosfera son:   

Nitrógeno: constituye el 78 % del volumen del aire. Oxígeno: representa el 21 % del volumen del aire. Otros gases: del resto de los gases de la atmósfera, el más abundante es el argón (Ar), que contribuye en 0,9 % al volumen del



aire. Dióxido de carbono: está constituido por moléculas de un átomo de carbono y dos átomos de oxígeno, de modo que su fórmula es CO2. Representa el 0,03 % del volumen del aire y participa en procesos



muy importantes. Ozono: es un gas minoritario que se encuentra en la estratosfera. Su fórmula es O3, pues sus moléculas tienen tres átomos de oxígeno. Es de gran importancia para la vida en nuestro planeta, ya que su producción a partir del oxígeno atmosférico absorbe la mayor parte de los rayos ultravioleta procedentes del Sol.[ CITATION Men16 \l 10250 ]

3.2 Capas de la Atmosfera de la Tierra Troposfera IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN EL ESTUDIO DE LA ATMÓSFERA

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Es la capa más cercana a la superficie terrestre, donde se desarrolla la vida y ocurren la mayoría de los fenómenos meteorológicos. Tiene unos 8 km de espesor en los polos y alrededor de 16 km en el ecuador. La troposfera contiene alrededor del 75 % de la masa gaseosa de la atmósfera, así como casi todo el vapor de agua. [ CITATION Men16 \l 10250 ] Estratosfera Es la capa que se encuentra entre los 10 km y los 50 km de altura. Los gases se encuentran separados formando capas o estratos de acuerdo a su peso. Una de ellas es la capa de ozono que protege a la Tierra del exceso de rayos ultravioleta provenientes del Sol. [ CITATION Men16 \l 10250 ] Mesosfera Es la capa donde la temperatura puede disminuir (o descender) hasta los -70 °C conforme aumenta su altitud[ CITATION Men16 \l 10250 ] Termosfera o Ionosfera Es la capa que se encuentra entre los 90 y los 400 kilómetros de altura. Su límite superior es la termopausa. En ella existen capas formadas por átomos cargados eléctricamente, llamados iones. [ CITATION Men16 \l 10250 ] Exosfera La exosfera es la capa de la atmósfera terrestre en la que los gases poco a poco se dispersan hasta que la composición es similar a la del espacio exterior. Es la última capa de la atmósfera, se localiza por encima de la termosfera, aproximadamente a unos 580 km de altitud. [ CITATION Men16 \l 10250 ]


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3.3 Termodinámica de la Atmosfera Por termodinámica se entiende el estudio de los procesos de transformación entre el calor y las otras formas de energía. En el caso particular de los procesos termodinámicos en la atmósfera, se estudian los cambios entre la energía calorífica y la energía mecánica. Es bien conocido que cuando un gas se comprime, aumenta su temperatura y se calienta; mientras que cuando el gas se expande, disminuye su temperatura y se enfría. Este enfriamiento o calentamiento del gas, puede ocurrir sin un intercambio de calor neto con el medio ambiente que rodea al gas. En efecto, una variación del volumen, dada por una expansión o compresión de un gas, corresponde a un proceso definido de enfriamiento o calentamiento, que siempre contiene la misma cantidad de calor, para la misma temperatura inicial. Este proceso de calentamiento o enfriamiento de un gas aislado térmicamente del medio ambiente, se conoce como un proceso adiabático. En general, cuando los procesos se desarrollan rápidamente, el intercambio de calor entre las parcelas de aire y el medio ambiente es prácticamente despreciable, por lo que se puede considerar como un proceso adiabático. Los procesos adiabáticos se presentan muy frecuentemente en fenómenos meteorológicos, tales como: la formación de nubes y el enfriamiento de las parcelas de aire que causan la precipitación, por lo que es muy importante estudiar estos procesos termodinámicos, entre la temperatura, la presión y la altura. Estas relaciones adiabáticas ser derivadas usando la ecuación de estado de un gas ideal y los principios de conservación de energía, de las leyes de la termodinámica. IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN EL ESTUDIO DE LA ATMÓSFERA

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3.4 La atmósfera como sistema termodinámico Ya se ha mencionado que la atmósfera es una capa muy delgada (11 km de media la troposfera), pero horizontalmente es muy extensa y se suelen considerar varios tamaños para su estudio, como se detalla en la figura 1.

Figura 1. Escalas espacio-temporales en el estudio de la atmósfera.

Fuente: Martínez ( 1996) Termodinámica de la atmosfera.

Con el formalismo termodinámico clásico, diríamos que la atmósfera en su conjunto es un sistema abierto, pues intercambia masa con su entorno (por arriba y por abajo): del espacio exterior recibe polvo cósmico y meteoritos, y por abajo intercambia agua, gases y partículas con la hidrosfera, la litosfera y la biosfera (biota global); en primera

aproximación,

la

ecosfera

en

su

conjunto

(atmósfera+hidrosfera+litosfera+biosfera) sí se puede considerar un sistema cerrado. Considerando periodos plurianuales, podemos decir que la atmósfera está en estado casi-estacionario, pues las IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN EL ESTUDIO DE LA ATMÓSFERA

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variaciones plurianuales de su masa y su energía son pequeñísimas (hasta el temido cambio climático que se avecina apenas incrementaría la temperatura medias unas centésimas de grado cada año); Globalmente la masa de la atmósfera apenas varía (es de unos 5·10^18 kg desde hace millones de años), y recibe anualmente 0,5·10^18 kg de agua del océano, aunque se compensan con la precipitación anual correspondiente, y globalmente la atmósfera pueda considerarse en estado casi estacionario. Globalmente sí, pero las fluctuaciones locales temporales y espaciales son muy importantes. La atmósfera no está en equilibrio, ni térmico (hay gradientes de temperatura), ni mecánico (hay vientos), ni químico (llueve, y a veces, lluvia ácida). ¿Por qué la atmósfera no está en equilibrio? Porque está expuesta al flujo de energía solar, que varía con el día y la noche y las estaciones; toda la meteorología es debida en último término a este bombeo radiativo solar, que es muy efectivo porque desestabiliza la atmósfera, al originar un calentamiento de abajo a arriba, al ser la atmósfera casi transparente a la radiación solar y absorberse ésta mayoritariamente en la superficie terrestre. El hecho de que la insolación media terrestre disminuya desde el Ecuador a los polos, da lugar a una clasificación zonal de la atmósfera en las siguientes bandas: zona ecuatorial (o mejor, zona de convergencia intertropical (ZCIT, ITCZ en sus siglas inglesa), pues depende de la distribución de masas continentales y varía con las estaciones como se ve más adelante), zonas tropicales, zonas subtropicales, zonas templadas o de latitudes medias, zonas subpolares, y zonas polares. ¿Por qué hace más frío sobre una montaña o altiplanicie, que a nivel del mar, si el calor del Sol viene de arriba? De hecho, en un día despejado de verano se reciben menos de 1000 W/m^2 a nivel del mar y más de 1200 W/m^2 a 5 km de IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN EL ESTUDIO DE LA ATMÓSFERA

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altitud (y no es por estar más cerca del Sol). La respuesta es que el aire se calienta por abajo y se enfría por arriba; por abajo recibe calor por convección y por radiación infrarroja del suelo, y por arriba recibe menos radiación infrarroja de la atmósfera que hay encima (i.e. pierde más calor al exterior) cuanto mayor sea la altitud, porque el ‘exterior’, a 2,7 K, está más cerca. De otro modo, puede decirse que la temperatura disminuye con la altitud (en la tropopausa) porque el efecto invernadero disminuye con el espesor de la capa de aire restante, o, en lenguaje coloquial, porque sobre los altiplanos hay menos ‘manta’ (manto de aire). Por cierto, hay que tener cuidado con esta idea de ‘manta’, pues en las mantas usuales (las que se usan en las camas), los efectos radiativos son despreciables, ya que se basan, como toda la vestimenta usual, en mantener una capa de aire atrapado en un medio poroso para evitar la convección directa sobre la piel. Por el contrario, las mantas multicapa que se usan en el control térmico de vehículos espaciales sí son de tipo radiativo y no de tipo convectivo. Pero una cosa es que el aire esté más frío cuanto más alto, y otra cuestión es el por qué el aire se enfriará si asciende rápidamente, que no es por contacto con el aire frío de arriba (como podría pensarse) porque la difusividad del aire es muy pequeña, sino por enfriamiento adiabático, que es la pérdida de energía térmica necesaria para que, al ir disminuyendo su presión con la altura, el aire se expanda empujando contra el resto de aire ambiente: dU=dW+dQ → mcvdT=−pdV → T/p(γ−1)/γ=cte. (como se vio al estudiar la evolución adiabática y sin fricción de un gas perfecto), que en términos de variaciones relativas (derivada logarítmica) es dT/T=((γ−1)/γ)dp/p. Si se combina esta expresión con la del gradiente hidrostático de presión, dp/dz=−ρg=−(p/(RT))g, se obtiene IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN EL ESTUDIO DE LA ATMÓSFERA

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dT/T=((γ−1)/γ)(−gdz/(RT))

→

dT/dz=−g/cp=−9,8/1000,

i.e.

un

gradiente constante Γ≡−dT/dz=9,8 K/km, que influye grandemente en la estabilidad atmosférica cuando no hay condensación de vapor de agua, como se verá después. Y todavía es más sorprendente que el aire no se enfríe más y más con la altura, sino que su temperatura suba desde unos −60 ºC a los 20 km a casi 0 ºC a unos 50 km, para luego bajar a casi −100 ºC a los 80 km, y empezar a subir desde 90 km hasta alcanzar más de 1000 ºC por encima de los 200 km. La respuesta es: porque en esas capas sí que absorbe parte de las radiaciones del Sol y se calienta. Otra difícil cuestión que resuelve la termodinámica es la siguiente. Si parece que está demostrado que no es posible predecir el tiempo atmosférico más allá de una o dos semanas, ¿qué valor tienen las predicciones del cambio climático para dentro de un siglo? La respuesta es que, debido al carácter caótico de las ecuaciones que se usan en meteorología (aun siendo deterministas), las predicciones concretas

locales

van

perdiendo

precisión

con

el

tiempo

(cronológico), pero hay otro tipo de predicciones que son globales y de carácter probabilístico, que van ganando precisión con el tiempo, que son aquéllas que corresponden a la tendencia hacia el equilibrio. Es como la esperanza de vida humana, que para una persona concreta es una predicción inútil, pero que para un gran conjunto la predicción es muy precisa. La termodinámica, como ciencia estadística que es, tiene ese gran poder de predicción Por último, conviene señalar que la termodinámica de la atmósfera no es sólo termodinámica del aire sino que tiene mucho de termodinámica del agua [7] ya que, como se ha dicho antes, el agua atmosférica, pese a su marginalidad ponderal (0,3% de la masa total), es el constituyente IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN EL ESTUDIO DE LA ATMÓSFERA

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dominante en toda la dinámica atmosférica, a través de los cambios de

fase

vaporización/condensación,

sublimación/deposición,

y

fusión/congelación, los cuales van siempre acompañados de grandes flujos de energía (la interacción atmósfera-océano [8] es vital en el estudio de ambas masas fluidas).[ CITATION Mar96 \l 10250 ]

CONCLUSIONES 

 

La termodinámica de la atmosfera estudia los distintos procesos termodinámicos que se dan en esta capa, se estudian los cambios entre la energía calorífica y la energía mecánica. La termodinámica es la parte de la física que se encarga de la relación entre el calor y el trabajo. Se concluye que la atmósfera es una capa gaseosa que rodea a un cuerpo celeste, está conformado por los siguientes gases Oxigeno, nitrógeno, CO2, O3, Argón, etc; por estar entre alrededores como son el espacio y la biosfera la atmosfera es un sistema abierto.


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

La mayoría de los fenómenos atmosféricos, desde la estela de condensación que dejan los aviones hasta los cambios climáticos que está empezando a causar el hombre, son procesos termodinámicos que se



pueden reducir a efectos de la temperatura y la humedad del aire. Hemos visto también cómo la interacción de la atmósfera con la hidrosfera gobierna los intercambios másicos y energéticos que dan suporte a la vida en la Tierra, principalmente mediante el ciclo hidrológico. Y cómo la rotación de la Tierra hace que los vientos predominantes (que si fuese el Sol el que girase alrededor de una Tierra inmóvil serían siempre polares (i.e. del Norte en el hemisferio Norte) sean del Este en latitudes pequeñas (los alisios), del Oeste en latitudes medias, y ora vez del Este en latitudes polares.

BIBLIOGRAFÍA Fiscalab. (s.f.). fisicalab. Obtenido de fisicalab: https://www.fisicalab.com/apartado/termodinamica-concepto#contenidos GuiaDocente. (s.f.). SC.EHU. Obtenido de SC.EHU: http://www.sc.ehu.es/sbweb/ocwfisica/intro/guia_docente/termo.xhtml Martinez, I. (15 de Septiembre de 1996). Termodinámica de la atmosfera. Recuperado el 1 de Julio de 2017, de https://www.google.com.pe/url? sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjOm7Ot7IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN EL ESTUDIO DE LA ATMÓSFERA

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vUAhXE5yYKHWneBhYQFggrMAE&url=http%3A%2F%2Fwebserver.dmt.upm.es %2F~isidoro%2FEnv%2FAtmospheric %2520thermodynamics.pdf&usg=AFQjCNGxtOF0yzL4pKZccCNr5n_Vm9rV Mendoza, P. (19 de Agosto de 2016). SlideShare. Recuperado el 1 de Julio de 2017, de https://es.slideshare.net/PabloMendoza59/termodinamica-de-la-atmosfera RAE. (s.f.). Real Academia Española. Obtenido de Real Academia Española: https://es.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A1mica


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