UNIVERSIDAD ABIERTA Y A DISTANCIA DE MÉXICO
T E R M O D I N Á M I C A
UNIDAD 2:
Primera Ley de la Termodinámica Actividad 2:
Cambios de Energía y procesos Termodinámicos en el Popo Alumna:
Egle!a"e# $errera Morales P!"#
Mig%el Ángel Mar#íne& 'loren#ino Maticula:
E()*+)+),-./
1 . -L l e nal asi g ui e nt et a bl ase gú nl oqu es et epi d eyenl aúl t i maco l u mn ad el at a bl adaun e j e mp l oqu ee st ér e l a ci o na doal v i a j eal Po po .
Proceso
Isocórico
Características
También llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante: ∆ V = 0
Isobárico
Proceso que se realiza a presión constante; ΔP = 0. n este proceso se realiza tanto trans!erencia de calor como de traba"o.
+e realiza a temperatura constante ∆ T =0
Isotérmico
La energía interna depende de la temperatura. Por lo tanto, si un gas ideal es sometido a un proceso isotérmico, la variación de energía interna es igual a cero.
Primera ley de la termodinámica
Ejemplo
Q = ∆ U + W ¿ ∆ U + 0
La lava que permanece dentro del volcán.
¿ ∆ U
V P (¿ ¿ f −V o )= P ∆ V W isobarico=¿ Q = ∆ U + W
∆ U = P + ∆ V
Q = ∆ U + W Q =W
#l escalar la monta$a se considera el punto de roc%o que es la temperatura a la que el vapor de a&ua contenido en una masa de aire empieza a condensar cuando 'a( un proceso de en!riamiento isobárico a )presión constante*.
n la monta$a: ,on!orme se va ascendiendo las part%culas de aire se vuelven menos densas ( desciende la temperatura. l cuerpo -umano: el rendimiento de los seres 'umanos al trans!ormar la ener&%a qu%mica en traba"o es til/ dado que se mide por la relación entre el traba"o mecánico.
Gráfica
PRIMERA LE PARA !" #I#$EMA %!E C!MPLE C&" !" CAM'I& (E E#$A(& PARA (ECRI'IR L&# #I#$EMA# (E )L!*& E#$A'LE !"I)&RME+ Ener,ía almacenada en -n sistema E. sta ener&%a puede estar presente en una variedad de !ormas: Energía Cinética: ebida al traslado de las moléculas. , Energía Potencial: ebida a las acciones mutuas de atracción o de repulsión entre las moléculas. P Energía Interna: sta asociada con la estructura interna de la materia. 1 e esta !orma se puede e2presar la ener&%a almacenada/ como la suma de la ener&%a cinética/ la ener&%a potencial ( la ener&%a interna.
Para enunciar la primera le( para un sistema que cumple con un cambio de estado/ se considera el
PRIMERA LE PARA !" #I#$EMA %!E C!MPLE C&" !" CAM'I& (E E#$A(& PARA (ECRI'IR L&# #I#$EMA# (E )L!*& E#$A'LE !"I)&RME+ Ener,ía almacenada en -n sistema E. sta ener&%a puede estar presente en una variedad de !ormas: Energía Cinética: ebida al traslado de las moléculas. , Energía Potencial: ebida a las acciones mutuas de atracción o de repulsión entre las moléculas. P Energía Interna: sta asociada con la estructura interna de la materia. 1 e esta !orma se puede e2presar la ener&%a almacenada/ como la suma de la ener&%a cinética/ la ener&%a potencial ( la ener&%a interna.
Para enunciar la primera le( para un sistema que cumple con un cambio de estado/ se considera el si&uiente sistema mostrado en la 3i&ura 4.56
l sistema mostrado en la 3i&ura 4.56/ posee inicialmente una ener&%a almacenada 5/ pero debido a una interacción con el medio e2terior/ el sistema es obli&ado a cambiar a otro estado en donde la ener&%a almacenada es 4. -aciendo un balance de ener&%a/ se puede decir que la ener&%a almacenada 4/ debe ser i&ual a la suma de la ener&%a almacenada 5 más la ener&%a que entra al sistema menos la ener&%a que sale del sistema. ste balance se puede escribir de la si&uiente !orma:
#rre&lando los términos
7bserve que el si&no ne&ativo que acompa$a al calor 8 s// es el si&no que le corresponde por ser un calor que sale/ mientras el si&no ne&ativo que acompa$a al traba"o 9 e / es el si&no que le corresponde por ser traba"o que entra.
n &eneral/ la ecuación 4. se puede escribir como:
sta ecuación corresponde a la primera le( para un sistema cerrado que cumple un cambio de estado. ,uando se 'a&a la sustitución de los calores ( los traba"os en las sumas/ se debe tomar en cuenta la convención de si&nos esco&ida. n la ma(or%a de los casos/ las variaciones de la ener&%a cinética ( potencial son despreciables/ por lo que la ecuación de la primera le( se puede e2presar nicamente en !unción de la ener&%a interna.
Tanto la ener&%a almacenada / como la ener&%a interna 1/ son propiedades ( como tales se evalan dentro del sistema. Tienen como unidades las mismas unidades del calor ( el traba"o pero no se evalan en los l%mites del sistema.
CAL&R E#PEC/)IC& ,uando un sistema interacciona con el medio e2terior cambiando su temperatura de un valor T a otro T dT/ de!inimos el calor espec%!ico como la capacidad calor%!ica que tiene el sistema de cambiar su temperatura al suministrársele una cantidad de calor.
l calor espec%!ico es pues la cantidad de calor que es necesario suministrar a la unidad de masa de un cuerpo para que su temperatura aumente un &rado. Las unidades para el calor espec%!ico son:
+i se e2presa el calor espec%!ico en !orma molar/ las unidades para éste serán:
l calor espec%!ico de sólidos ( l%quidos depende de la temperatura pero no del tipo de trans!ormación. n los &ases además de depender de la temperatura/ depende del tipo de proceso e2perimentado al su!rir el calentamiento. +e de!ine de esta !orma dos calores espec%!icos para los &ases: Calor específico a volumen constante: se obtiene midiendo el calor espec%!ico en un proceso a volumen constante
Calor específico a presión constante: se obtiene midiendo el calor espec%!ico en un proceso a presión constante
E"ERG/A I"$ER"A E"$ALP/A La ener&%a interna 1 de un !luido/ como depende de su masa/ es una propiedad e2tensiva/ ( desempe$a un important%simo papel en la termodinámica. s una !unción de estado (/ como tal/ su variación &lobal cuando el !luido e2perimenta una trans!ormación c%clica será nula:
,uando un sistema cerrado interacciona con el medio e2terior/ (a sea térmica o mecánicamente/ su ener&%a var%a de acuerdo con el primer principio )ecuación 4.55*. Puesto que el estado de un sistema es !unción de las variables P/ < ( T/ cualquier ma&nitud que sea !unción de estado queda determinada un%vocamente al conocer dos de dic'os parámetros. ,omo la ener&%a interna es una !unción de ese tipo/ se puede e2presar de cualquiera de las tres !ormas si&uientes:
l desarrollo ( evaluación de estas !unciones para obtener valores de ener&%a interna no es tan sencillo/ por lo que resulta conveniente utilizar tablas de datos termodinámicos para distintas sustancias. Para determinar valores de ener&%a interna espec%!ica u/ se procede de la misma !orma que se 'izo para calcular el volumen espec%!ico. La entalp%a es una !unción de estado que "ue&a un trascendental papel en termodinámica. #l i&ual que la ener&%a interna/ la entalp%a de una sustancia pura será !unción de dos parámetros de estado cualesquiera. s una propiedad que se obtiene de combinar la ener&%a interna/ la presión ( el volumen espec%!ico. ,onsideremos un sistema/ en un proceso en el que se mantiene constante la presión/ mientras se somete a un calentamiento. 3i&. 4.5
#plicando la primera le(:
,omo el proceso es a presión constante/ el traba"o se puede e2presar como:
7 lo que es lo mismo:
Por ser la presión constante. +ustitu(endo en 4.5> se tiene la si&uiente ecuación:
l término 1P< es lo que se denomina entalp%a - ( sus unidades son las de la ener&%a. Por tanto/ la ecuación 4.40 se puede escribir de la si&uiente !orma:
s importante denotar/ que aun cuando esta propiedad/ !ue determinada a partir de un proceso isobárico/ ésta se puede calcular en cualquier estado/ en !unción de las otras propiedades. Tanto la ener&%a interna/ como la entalp%a/ se pueden e2presar en !orma de valores espec%!icos/ dividiendo la propiedad e2tensiva entre la masa.
# partir de la ecuación de la primera le( en !orma di!erencial:
+e puede e2presar el calor espec%!ico a volumen constante ( a presión constante de la si&uiente manera:
PRIMERA LE PARA !" 0&L!ME" (E C&"$R&L Para obtener la primera le(/ se sustitu(e como propiedad e2tensiva/ ?= y (=e que corresponden a la ener&%a almacenada ( la ener&%a almacenada espec%!ica respectivamente. Para un sistema/ la ecuación de la primera le( se puede escribir variando con respecto al tiempo como/
PR&CE#& (E )L!*& E#$ACI&"ARI& #ntes de aplicar las ecuaciones de conservación de la masa ( de primera le( al proceso de !lu"o estable/ es indispensable conocer las caracter%sticas de este tipo de proceso. a* La masa del !luido dentro del volumen de control permanece constante es decir la masa que entra está e2actamente compensada por la masa que sale de tal manera que no 'a( acumulación de masa dentro del volumen de control. b* l estado de la masa en cada punto del volumen de control es estacionario/ es decir no var%a con el tiempo. c* La ener&%a trans!erida en los contornos del volumen de control/ tanto en la !orma de trans!erencia de calor como de traba"o se 'ace a una rata constante. Las ecuaciones para este proceso de conservación de la masa ( de primera le( son: Ecuación de conservación de la masa
?a que no 'a( variación de la masa dentro del volumen de control Ecuación de la Primera Ley:
?a que no 'a( variaciones de las propiedades dentro del volumen de control.
APLICACI&"E# (EL PR&CE#& (E )L!*& E#$ACI&"ARI& +e utiliza en el estudio de las plantas de vapor/ plantas de &as/ toberas ( di!usores/ en los intercambiadores de calor ( en una serie de máquinas de !luidos. La tobera es un aparato que incrementa la velocidad de un !luido a e2pensas de una ca%da de presión en la dirección del !lu"o. l di!usor es un aparato para incrementar la presión de una corriente de !lu"o a e2pensas de un decrecimiento de velocidad.
PR&CE#& (E )L!*& $RA"#I$&RI& +us caracter%sticas más importantes son: a* l estado de la masa dentro del volumen de control puede variar con el tiempo pero en cualquier instante el estado es uni!orme a través de todo el volumen de control. b* l estado de la masa que cruza cada una de las áreas de !lu"o sobre la super!icie de control es constante con el tiempo. Ecuación de conservación de la masa o ecuación de continuidad.
APLICACI&"E# (EL PR&CE#& (E )L!*& $RA"#I$&RI& ste proceso se utiliza en el vaciado ( llenado de recipientes/ con o sin trans!erencia de calor/ 3i&ura 4.5@. n la 3i&ura 4.5@Aa se muestra un llenado de un recipiente sin trans!erencia de calor/ mientras que la 3i&ura 4.5@Ab corresponde a un vaciado de un recipiente con trans!erencia de calor.
Bibliografía Alvares J.V.; (2007, Oct. Madrid Esp.); “Trabajo, calor !ri"er !ri#cipio de la Ter"odi#$"ica%; co#s<ado el ' de Mao de 207.
Mart#e* E. (Mar*o 200); ,“!rocesos e# Ter"odi#$"ica%, revisado el ' de "ao de 207, obte#ido de +ttp--i#a.ed&.sv-p/co#te#t-&ploads-20-0-1/ter"odi#3'A"ica.pd4
E""a (Mar*o 20); “!roceso 5soc6rico, isob$rico, adiab$tico%; revisado el de "ao de 207, obte#ido de +ttp--e""a8sica.blo9spot.":-20-0'-proceso/isocorico/isobarico/adiabatico.+t"l
