Introducción a la termodinámica

1. Introducción a la

2. DEFINICIONES
Termodinámica: Rama de la
mecánica teórica que estudia la
transformación del movimiento en calor
y viceversa. No sólo se preocupa de la
velocidad de difusión del calor, también,
a través de ecuaciones cuánticamente
descriptivas, de los cambios físicos o
químicos producidos.

3. Sistema (Termodinámico): región
restringida, no necesariamente de volumen
constante o fija en el espacio, en donde se
puede estudiar la transferencia y
transmisión de masa y energía. Todo
sistema tiene límites que pueden ser reales
o imaginarios.

4. Variables Termodinámicas: O coordenadas
del sistema, son aquellas que definen
estado (conjunto de propiedades que
caracterizan al sistema). Existen dos tipos:
a) Variables físicas: Las fundamentales
son Presión (P), Volumen (V) y
Temperatura (T);
b) Variables Químicas: Usualmente se
utilizan los números de moles de cada
componente. En rigor, a la termodinámica
le interesan más los potenciales químicos.

5. Escala Fahrenheit
La escala Fahrenheit, llamada así en honor al físico
Daniel Gabriel Fahrenheit, fue utilizada en la mayoría
de los países de habla Inglesa, hasta la década de
1970, cuando la mayoría de los países cambiaron a la
escala Celsius. Esta escala cuenta con un punto de
ebullición del agua de 212 F y un punto de congelación
del agua de 32 F. El cero absoluto tiene un valor de -
459,67 F. El único punto en la escala
de temperatura Fahrenheit y Celsius a la que Fahrenheit
y Celsius se igualan entre sí es en el -40 F y, por lo tanto,
es también -40 C
Conversión de grados Fahrenheit a grados Centígrados:
°C=5/9(°F-32)
Ejemplo 1: Convertir 100°F a grados centígrados:
°C= 5/9 (°F-32) = 5/9 (100-32) = 5/9 (68) = 5 x 68 / 9 = 37.77°C

6. Escala Celsius
La escala Celsius o centígrados, recibió su
nombre en honor al astrónomo Andrew
Celsius. Esta escala fue la norma en la
ciencia, incluso antes de su prominencia
después de 1970. El valor Celsius para el
cero absoluto es -273,15 C. Para convertir
de Celsius a Fahrenheit se requiere
multiplicar el valor en grados Celsius por
9/5 o 1,8 y sumar 32.
 Ejemplo 2: Convertir 100°C a grados Fahrenheit
 °F = 1.8 °C + 32 = 1.8 (100) + 32 = 180 + 32 =
212°F

7. Escala Kelvin
La escala Kelvin fue nombrada en honor al
físico William Thomson, barón Kelvin. . La
unidad de medida estándar de
temperatura termodinámica, Kelvin,
generalmente se escribe sin un símbolo de
grado entre los números y la K. El agua hierve
a 373,15 K y se congela a 273,15 K. La
conversión de Celsius a Kelvin requiere la
suma de 273,15 a la lectura Celsius. Para
convertir de grados Kelvin y Celsius sólo exige
restar 273.15 de la lectura Kelvin.
°C= °K - 273.15
Ejemplo 4: Convertir 50 grados Kelvin a grados
Centígrados
°C= °K - 273.15 = 50 - 273.15 = -223°C

8. Escala Rankine
Como Kelvin, Rankine es una escala
termodinámica, es decir, el cero
absoluto es igual a cero. La escala
tiene un punto de ebullición del agua
de 671,67 R y un punto de
congelación del agua de 491,67 R.
Para convertir de Rankine a
Centigrados:

14. EJERCICIO DE CAPACIDAD
CALORIFICA
Dos cuerpos se elevan su temperatura
en la misma cantidad, pero para
hacerlo, el primero requiere el doble
de la cantidad de calor que toma el
segundo.
¿ Cuanto es la relacion entre el calor
que toma el primer cuerpo y el que
toma el segundo para que este
cuerpo eleve su temperatura en una
cantidad doble que el primero?

16. La primera ley de la
termodinámica
establece que la energía no se
crea, ni se destruye, sino que se
conserva. Entonces esta ley
expresa que, cuando un sistema es
sometido a un ciclo
termodinámico, el calor cedido por
el sistema será igual al trabajo
recibido por el mismo, y viceversa.

17. Es decir Q = W, en que Q es el calor
suministrado por el sistema al medio
ambiente y W el trabajo realizado por el
medio ambiente al sistema durante el ciclo.

18. Esta ley se expresa como:
Eint = Q - W
Cambio en la energía interna
en el sistema = Calor
agregado (Q) - Trabajo
efectuado por el sistema (W)

19. Δ Q
SISTEMA
Δ W

20. Ejemplo
 Determina el cambio de energía interna que expresa
un sistema de vapor de agua cuando recibe 6 000
joule en forma de calor y a su vez realiza un trabajo
de 1200 joule
SISTEMA
Q= 6,000 J
W= 1,200 J
Q= ΔU+W
ΔU= Q+W
ΔU= 6000-1200
ΔU= 4000 JOULE

21. EJEMPLO
 Un sistema realiza un trabajo de 3540 joule y se
suministra 2300 joule de calor ¿Cuál es la variación de
energía interna del sistema?
SISTEMA
Q= 2300 J
W= 3540 J
Q= ΔU+W
ΔU= Q+W
ΔU= 2300-3540
ΔU= -1240 JOULE

22. Segunda Ley de la
Termodinámica
La definición formal establece que:
En un estado de equilibrio, los valores que
toman los parámetros característicos de
un sistema termodinámico cerrado son
tales que maximizan el valor de una cierta
magnitud que está en función de dichos
parámetros, llamada entropía.

23.  La segunda ley dice que "solamente se
puede realizar un trabajo mediante el paso
del calor de un cuerpo con mayor
temperatura a uno que tiene menor
temperatura".
 La segunda ley de la termodinámica da,
además, una definición precisa de una
propiedad llamada entropía (fracción de
energía de un sistema que no es posible
convertir en trabajo). Afirma que "la entropía,
o sea, el desorden, de un sistema aislado
nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un
sistema aislado alcanza una configuración de
máxima entropía, ya no puede experimentar
cambios: ha alcanzado el equilibrio"

24. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA:
No existe ninguna máquina capaz de
transformar, el 100% del calor suministrado
en trabajo.
 Eficiencia de una máquina térmica (e)
e=trabajo realizado /calor suministrado e=
W/Qs e= 1-(Qd/Qs)
e= 1-(T2/T1) donde
Qd es el calor disipado o perdido
T1 la temperatura de la fuente caliente, la
temperatura masalta en grados Kelvin (K)
T2 la temperatura de la fuente fría, la
temperatura mas baja en grados Kelvin (K)

25.  Determine:
a) ¿Cuál es la eficiencia de una máquina térmica
que opera con temperaturas comprendidas entre
1870°C y 430°C?
b) ¿Cuál es el trabajo realizado en Joules, si el
calor suministrado es de 1700J?
Solución:
a)Formula sustitución resultado
e=1-(T2/T1) e=1-((430+273) K)/ (1870+273)K) e= 1-
(703K/2143K)
e = 1-0.3280
e=0.6719 = 67.19%
Nota: la temperatura debe estar en grados
Kelvin(K) y para ello se debe de sumar 273 a la
temperatura en grados centígrados (C)
b) formula despeje sustitución resultado
e= W/Qs W= e*Qs w= 0.06719 (1700J) W= 1142.32 J