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TECNOLOGICO NACIONAL DE MEXICO
INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE TACAMBARO
INGENIERIA EN SISTEMAS COMPUTACIONALES
2º SEMESTRE
FISICA GENERAL
Unidad 4 Introducción a la termodinámica
ALUMNO: Jesús Arreola Moreno
DOCENTE: Ing. José Manuel Jaimes García
junio del 2020
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 2 ~
TABLA DE CONTENIDOS
Introducción..................................................................................................................3
Unidad 4. Introducción a la termodinámica ................................................................4
4.1 Definiciones .....................................................................................................4
4.2 Escalas de temperatura ...................................................................................5
4.3 Capacidad calorífica.......................................................................................10
4.4 Leyes de la termodinámica ...........................................................................13
Conclusión ..................................................................................................................16
Bibliografía..................................................................................................................17
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 3 ~
INTRODUCCION
Este trabajo de investigación corresponde a la unidad 4 de la materia de Física General
y trata sobre la termodinámica, está distribuido en cuatro subtemas, en el primero
veremos algunos conceptos importantes para poder entender la unidad, en el segundo
subtema se trata sobre las escalas de temperatura y sus medidas así también como los
diferentes tipos de termómetros que existen para medir la temperatura en diferentes
necesidades, en el tercer subtema de nombre capacidad calorífica que es la capacidad
de los diferentes cuerpos de guardar el calor tanto los elementos gaseosos como los
sólidos y también se verá lo que se necesita para medir la capacidad calorífica en
diferentes condiciones y la forma como se miden.
Para terminar la unidad, en el último subtema se abordan las 3 leyes de la
termodinámica, mismas que describen el comportamiento de tres cantidades físicas
fundamentales como son: la temperatura, la energía y la entropía, que son las que
caracterizan a los sistemas termodinámicos. Matemáticamente, estos principios se
describen mediante un conjunto de ecuaciones que explican el comportamiento de los
sistemas termodinámicos, definidos como cualquier objeto de estudio (desde una
molécula o un ser humano, hasta la atmósfera o el agua hirviendo en una cacerola).
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 4 ~
UNIDAD 4. INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA
4.1 Definiciones
La termodinámica (del griego θερμo, termo, que significa «calor» y δύναμις,
dínamis, que significa «fuerza») es la rama de la física que describe los
estados de equilibrio a nivel macroscópico.
Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos,
que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental.
Los estados de equilibrio son estudiados y definidos por medio de magnitudes
extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la
composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no extensivas
derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial
químico; otras magnitudes tales como la imanación, la fuerza electromotriz y
las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también
pueden ser tratadas por medio de la termodinámica.
Sistema termodinámico
Un sistema termodinámico es una porción o región del espacio que separamos
del resto para su estudio. Esta separación puede ser real o imaginaria, y lo que
se encuentra fuera del sistema lo denominamos entorno (o medio ambiente).
Estado de equilibrio
Cuando las variables macroscópicas presión p, volumen V, y temperatura T, no
cambian. El estado de equilibrio es dinámico en el sentido de que los
constituyentes del sistema se mueven continuamente.
El calor
El calor no es una nueva forma de energía, es el nombre dado a una
transferencia de energía de tipo especial en el que intervienen gran número de
partículas. Se denomina calor a la energía intercambiada entre un sistema y el
medio que le rodea debido a los choques entre las moléculas del sistema y el
exterior al mismo y siempre que no pueda expresarse macroscópicamente
como producto de fuerza por desplazamiento.
Máquina termodinámica
Es un sistema termodinámico el cual convierte la energía calórica en
movimiento o trabajo.
Máquina térmica
Es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía,
generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de
un fluido que varía
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 5 ~
4.2 Escalas de temperatura
El principio anterior permite establecer la llamada "escala empírica de
temperaturas". Para establecerla se debe tener:
Un cuerpo Termométrico: es decir un cuerpo en que alguna propiedad varíe en
forma continua y medible con la temperatura.
Un punto de partida: un origen, fácilmente reproducible, desde donde partirá
nuestra escala (en buenas cuentas el cero).
Una unidad: es decir la magnitud que queremos asociar a un grado de
temperatura.
La temperatura se mide en grados Celsius o centígrados La escala de
temperatura Celsius define la temperatura del punto de hielo como 0 grados C
(0 ºC) Y la temperatura del punto de vapor como 100 ºC También se suele usar
la escala de temperaturas Fahrenheit Define como 32 ºF la temperatura del
punto de hielo y 212 ºF el punto de ebullición del agua Para pasar de una a otra
usaremos la siguiente fórmula:
Tc =5/9(TF-32ºF)
También podemos usar la escala Kelvin Establece el punto cero en el cero
absoluto (−273,15 °C)
Se representa con la letra K, y nunca "°K" La temperatura de 0 K es
denominada 'cero absoluto' y corresponde al punto en el que las moléculas y
átomos de un sistema tienen la mínima energía térmica posible.
Ningún sistema macroscópico puede tener una temperatura inferior a la
temperatura medida en kelvin se le llama "temperatura absoluta", y es la escala
de temperaturas que se usa en ciencia, La escala Celsius se define en la
actualidad en función de la escala Kelvin o escala absoluta:
T [K] = tC [°C] + 273,15
Midiendo la temperatura
Ahora que ya sabes la diferencia entre calor y temperatura y su relación, vamos
a conocer cuáles son las escalas más utilizadas para medir la temperatura.
Cuando has sospechado estar con fiebre, lo más probable es que hayas
medido tu temperatura con un termómetro. Los termómetros son utilizados para
medir la temperatura de acuerdo a escalas de medida bien definidas.
Las tres escalas de temperatura más comunes son: Celsius, Fahrenheit y
Kelvin. Una escala de temperatura puede ser creada identificando dos
temperaturas fácilmente reproducibles. Las temperaturas de ebullición (cambio
de estado líquido a vapor) y de fusión (cambio del estado sólido al líquido) del
agua, a una atmósfera de presión, son ejemplos de parámetros utilizados.
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 6 ~
Celsius y Fahrenheit
Estás haciendo una investigación acerca del calentamiento global y uno de tus
compañeros consigue esta imagen:
Fig. 1. Mapa de temperatura promedio anual máxima de Estados Unidos.
¿Temperaturas de 30 a 90 grados? Sí, pero Fahrenheit. Crédito de la
imagen: Mamatus - Own work, CC BY-SA 3.0
Si bien la mayoría de países utilizan la escala Celsius o Centígrados, algunos
usan la escala Fahrenheit, por lo que es bueno conocerlas y saber cómo se
pueden convertir sus unidades, para poder entendernos entre todos.
La escala Celsius (degree C°Cdegree, C) toma en cuenta el valor 0
degree0°0, degree para el punto de fusión del agua, mientras que el punto de
ebullición del agua corresponde a 100 degree100°100, degree. En el caso de
la escala Fahrenheit (degree F)°F)degree, F, right parenthesis, la más utilizada
en Estados Unidos por ejemplo, el punto de fusión del agua está a
los 32degree32°32, degreeFFF y el de ebullición a los 212degree212°212,
degreeFFF. Es muy importante recordar que la variación en temperatura de un
grado Celsius es mayor a la variación en temperatura de un grado Fahrenheit.
Solo 100 degree100°100, degree CCC cubren el mismo rango que 180
degree180°180, degree FFF.
La escala absoluta: grados Kelvin
La escala Kelvin (abreviada como KKK, sin el símbolo de grado) es la escala
más común utilizada para el trabajo científico, por una serie de características,
como por ejemplo, que su 000 es el cero absoluto, es decir, la temperatura en
la que los átomos y moléculas presentan la menor energía térmica posible.
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 7 ~
En esta escala, el punto de fusión del agua se da a los 273 K273K273, K y el
de ebullición, a los 373 K373K373, K. Como puedes notar, la magnitud de las
diferencias de temperatura es la misma en Celsius y en Kelvin, es decir, la
variación de un grado en la escala Celsius corresponde también a una
variación de un grado en la escala Kelvin.
Conversión de escalas
Veamos gráficamente cómo están relacionadas las tres escalas de
temperatura:
Fig. 2. Gráfico de las escalas de temperatura
De la imagen podemos deducir las fórmulas de conversión entre escalas. Por
ejemplo, podemos ver que la diferencia entre la temperatura de fusión y la de
ebullición del agua es de 100 grados en la escala Celsius y de 180 grados en la
escala Fahrenheit, y que 0degree0°0, degreeCCC equivale a 32degree32°32,
degreeFFF. Con estos datos, obtenemos que:
Tipos y usos de los termómetros
para comprender mejor sus características y funcionamiento a continuación se
encuentra un listado de los tipos de estos instrumentos:
1. Termómetros De Vidrio O
Termómetros De Líquido: Los
termómetros de vidrio o también
denominados termómetros de líquido son
los más conocidos. Hasta fecha reciente
se utilizaban los de mercurio, pero debido
a la prohibición de esta substancia por su
peligrosidad, han sido substituidos por los
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 8 ~
de alcohol coloreado. Estos termómetros suelen ser de vidrio sellado. La
temperatura se obtiene de ver en una escala marcada en el mismo termómetro
hasta que nivel llega el líquido (mercurio o alcohol) que hay en su interior a causa
de la dilatación/contracción del mismo debido al cambio de temperatura. La
escala para la medición de temperatura más usada suele ser la Celsius (grados
centigrados ºC), cuyo nombre viene de su descubridor Anders Celsius (S.XVIII).
También se puede visualizar en grados Fahrenheit, inventor del termómetro de
mercurio en por éste en 1714 y que viene representada por el símbolo ºF.
2. Termómetros De Resistencia: Los termómetros de
resistencia basan la toma de temperatura en un alambre de
platino integrado dentro del termómetro. Este alambre va
ligado a una resistencia eléctrica que cambia en función de la
temperatura. Es un termómetro que es muy lento en la toma
de temperatura, pero preciso. Se suele usar para tomar la
temperatura del exterior.
3. Termopar o par térmico (termómetros de contacto): Se
trata de termómetros que miden la temperatura a partir de una
resistencia eléctrica que produce un voltaje el cual varía en
función de la temperatura de conexión. Es un termómetro de
toma la temperatura de forma rápida y se suelen usar en
laboratorios. Un termopar o termocupla es un dispositivo
utilizado para medir temperaturas basadas en la fuerza
electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos.
4. Termómetros sin contacto o pirómetros: Se trata
de lo último en termómetros y la mediciónde la temperatura
se basa en la radiación de calor que desprenden los
objetos (cada objeto tiene una emisividad concreta) cuando
se calientan. Se denominan también termómetros
infrarrojos y se utilizan, entre otras cosas, para medir
temperaturas elevadas o de objetos en movimiento o que
estén a distancia. La gran ventaja de este tipo de
termómetros es que no requieren tocar el objeto y se puede conocer al instante
la temperatura en la pantalla digital. Son utilizados en fundiciones, fábricas de
vidrio, hornos para cocción de cerámica etc. Existen varios tipos según su
principio de funcionamiento:
Pirómetro óptico: se fundamentan en la ley de Wien de distribución de la
radiación térmica, según la cual, el color de la radiaciónvaría con la temperatura.
El color de la radiación de la superficie a medir se compara con el color emitido
por un filamento que se ajusta con un reóstato calibrado. Se utilizan para medir
temperaturas elevadas, desde 700 °C hasta 3.200 °C, a las cuales se irradia
suficiente energía en el espectro visible para permitir la medición óptica.
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 9 ~
Pirómetro de radiación total: se fundamentan en la ley de Stefan-Boltzmann,
según la cual, la intensidad de energía emitida por un cuerpo negro es
proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.
Pirómetro de infrarrojos: captan la radiación infrarroja, filtrada por una lente,
mediante un sensor fotorresistivo, dando lugar a una corriente eléctrica a partir
de la cual un circuito electrónico calcula la temperatura. Pueden medir desde
temperaturas inferiores a 0 °C hasta valores superiores a 2.000 °C.
Pirómetro fotoeléctrico: se basan en el efecto fotoeléctrico, por el cual se liberan
electrones de semiconductores cristalinos cuando incide sobre ellos la radiación
térmica.
5. Termómetros Bimetálicos: Estos termómetros están
formados por dos láminas de metales de distintos
coeficientes de dilatación. Cuando hay cambio de
temperatura, uno de los dos metales se curva antes que
el otro y el movimiento se traduce en una aguja que a su
vez marca en una escala la temperatura. Se utiliza sobre
todo como sensor de temperatura en el termohigrógrafo.
6. Termómetros de gas: Pueden funcionar a presión contacte o a
volúmen contante y debido a su tamaño, precio y complejidad sólo se
utilizan como termómetros patrón en laboratorios con el objetivo de
poder calibrar otros termómetros, ya que es un sistema muy preciso
de medición de temperatura.
7. Termómetros digitales: Un circuito electrónico toma
la temperatura y la información se envía a un
microchip que la procesa y la muestra en una pantalla
digital numéricamente. Suelen ser muy comunes para
aplicaciones muy diversas en el hogar, medicina,
industria.. al ser económicos, rápidos, precisos y
fáciles de usar. Existen incluso termómetros digitales subacuáticos.
8. Termistor: Es un dispositivo que varía su
resistencia eléctrica en función de la temperatura.
Algunos Termómetros hacen uso de circuitos
integrados que contienen un termistor, como el LM35.
9. El termómetro de globo, para medir la temperatura radiante.
Consiste en un termómetro de mercurio que tiene el bulbo dentro
de una esfera de metal hueca, pintada de negro de humo. La
esfera absorbe radiación de los objetos del entorno más calientes
que el aire y emite radiación hacia los más fríos, dando como
resultado una medición que tiene en cuenta la radiación. Se utiliza
para comprobar las condiciones de comodidad de las personas.
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 10 ~
10. El termómetro de bulbo húmedo, para medir el
influjo de la humedad en la sensación térmica. Junto con
un termómetro ordinario forma un psicrómetro, que sirve
para medir humedad relativa, tensión de vapor y punto de
rocío. Se llama de bulbo húmedo porque de su bulbo o
depósito parte una muselina de algodón que lo comunica
con un depósito de agua. Este depósito se coloca al lado y
más bajo que el bulbo, de forma que por capilaridad está
continuamente mojado.
11.El termómetro de máximas y mínimas es utilizado en
meteorología para saber la temperatura más alta y la más baja
del día, y consiste en dos instrumentos montados en un solo
aparato. También existen termómetros individuales de máxima o
de mínima para usos especiales o de laboratorio.
4.3 Capacidad calorífica
La capacidad calorífica o capacidad térmica de un cuerpo es el cociente entre
la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un
proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma
más rigurosa, es la energía necesaria para aumentar la temperatura de una
determinada sustancia en una unidad de temperatura.1 Indica la mayor o
menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de
temperatura bajo el suministro de calor.
Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad
extensiva, ya que su magnitud depende no solo de la sustancia sino también
de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un
cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de
una piscina olímpica será mayor que la del agua de un vaso. En general, la
capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión.
La capacidad calorífica (capacidad térmica) no debe ser confundida con la
capacidad calorífica específica (capacidad térmica específica) o calor
específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un
cuerpo «para almacenar calor», y es el cociente entre la capacidad calorífica y
la masa del objeto. El calor específico es una propiedad característica de las
sustancias y depende de las mismas variables que la capacidad calorífica.
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 11 ~
La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de
energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y
el cambio de temperatura que experimenta.
En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar una unidad
de temperatura (SI: 1 K) de una determinada sustancia, (usando el SI).
1 Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para
experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede
interpretarse como una medida de inercia térmica.
Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la
sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por
ello, es característica de un cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la
capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un
vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la
temperatura y de la presión.
Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas condiciones es
necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el
incremento de temperatura resultante. La capacidad calorífica viene dada por:
Donde:
C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de
estado.
Q es el calor absorbido por el sistema.
ΔT la variación de temperatura
Se mide en unidades del SI julios/K (o también en cal/ºC).
La capacidad calorífica (C) de un sistema físico depende de la cantidad de
sustancia o masa de dicho sistema. Para un sistema formado por una sola
sustancia homogénea se define además el calor específico o capacidad
calorífica específica c a partir de la relación:
Donde:
c es el calor específico o capacidad calorífica específica
m la masa de sustancia considerada
De las anteriores relaciones es fácil inferir que al aumentar la masa de una
sustancia, se aumenta su capacidad calorífica ya que aumenta la inercia
térmica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su
temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras
donde el mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de
temperatura.
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 12 ~
Capacidades caloríficas de sólidos y gases
La capacidad calorífica de los sólidos y gases depende, de acuerdo con el
teorema de equipartición de la energía, del número de grados de libertad que
tiene una molécula, como se explicará a continuación.
Gas monoatómico
Un gas monoatómico, como por ejemplo son los gases nobles tiene moléculas
formadas por un sólo átomo. Eso a que la energía de rotación, al ser la
molécula casi puntual, pueda despreciarse. Así en los gases monoatómicos la
energía total está prácticamente toda en forma de energía cinética de
traslación. Como el espacio es tridimensional y existen tres grados de libertad
de tralación eso conduce de acuerdo con el teorema de equipartición a que la
energía interna total U de un gas ideal monoatómico y su capacidad
calorífica CV vengan dadas por:
Donde T es la temperatura absoluta, N es el número de moléculas de gas
dentro del sistema que estudiamos, n el número de moles, k la constante de
Boltzmann y R la constante universal de los gases ideales. Así el calor
específico molar de un gas ideal monoatómico es simplemente cv = 3R/2
o cp = 5R/2. Los gases monoatómicos reales también cumplen las anteriores
igualdades aunque de modo aproximado.
Gas diatómico
En un gas diatómico la energía total puede encontrarse en forma de energía
cinética de traslación y también en forma de energía cinética de rotación, eso
hace que los gases diatómicos puedan almacenar más energía a una
temperatura dada. A temperatura próximas a la temperatura ambiente la
energía interna y la capacidad caloríficas vienen dadas por:
Para temperaturas extremadamente altas, la energía de vibración de los
enlaces empieza a ser importante y los gases diatómicos se desvían algo de
las anteriores condiciones. A temperaturas aún más altas la contribución del
movimiento término de los electrones produce desviaciones adicionales. Sin
embargo, todos los gases reales como el hidrógeno (H2), el oxígeno (O2), el
nitrógeno (N2) o el monóxido de carbono (CO), cumplen a temperaturas
ambiente moderadas las anteriores relaciones. Por tanto estos gases tienen
calores específicos o capacidades caloríficas molares cercanos a cv = 5R/2.
Gases poliatómicos
El teorema de equipartición para gases poliatómicos sugiere que los gases
poliatómicos que tienen enlaces "blandos" o flexibles y que vibran con facilidad
con q frecuencias, deberían tener una capacidad calorífica molar.
Donde r mide los grados de libertad rotacionales (r = 1 para moléculas
lineales, r = 2 para moléculas planas y r = 3 para moléculas tridimensionales).
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 13 ~
Sin embargo estas predicciones no se cumplen a temperatura ambiente. La
capacidad calorífica molar aumenta moderadamente a medida que aumenta la
temperatura. Eso se debe a efectos cuánticos que hacen que los modos de
vibración estén cuantizados y sólo estén accesibles a medida que aumenta la
temperatura, y la expresión (*) sólo puede ser un límite a muy altas
temperaturas. Sin embargo, antes de llegar a temperaturas donde esa
expresión sea un límite razonable muchas moléculas se rompen por efecto de
la temperatura, no llegando nunca al anterior límite. Un tratamiento rigurso de
la capacidad calorífica requiere por tanto el uso de la mecánica cuántica, en
particular de la mecánica estadística de tipo cuántico.
4.4 Leyes de la Termodinámica
Primera ley de la termodinámica
También conocido como principio de conservación de la energía para la
termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste
intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.
Visto de otra forma, 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 Antoine Lavoisier. La ecuación general de la conservación
de la energía es la siguiente:
Eentra ? Esale = ?Esistema
Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos
termodinámico, queda de la forma:
 Q = Delta U +  W
Segunda ley de la termodinámica
Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos
termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido
contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda
volver a concentrase en un pequeño volumen).
También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir
completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas.
De esta forma, La Segunda ley impone restricciones para las transferencias de
energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo
el Primer Principio.
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 14 ~
Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud
física llamada entropía tal que, para un sistema aislado (que no intercambia
materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser
mayor que cero.
Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es
unidireccional, desde los cuerpos a temperatura más alta a aquellos de
temperatura más baja.
Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio,
destacándose el de Clausius y el de Kelvin.
Enunciado de Clausius
Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen. Diagrama
del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.
En palabras de Sears es: " 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".
Enunciado de Kelvin
No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una
única fuente y lo convierta íntegramente en trabajo.
Otra interpretación
Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en
trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto
podemos concluir que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica
que convierte calor en trabajo siempre será menor a la unidad y ésta estará
más próxima a la unidad cuanto mayor sea el rendimiento energético de la
misma. Es decir, mientras mayor sea el rendimiento energético de una máquina
térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.
Tercera ley de la termodinámica
La Tercera de las leyes de la termodinámica, propuesto por Walther Nernst,
afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto
mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como
que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía
tiende a un valor constante específico.
La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo
temperaturas iguales al cero absoluto. No es una noción exigida por la
Termodinámica clásica, así que es probablemente inapropiado tratarlo de “ley”.
Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo
generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas
macroscópicos, pero inaplicables a nivel cuántico. El demonio de Maxwell
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 15 ~
ejemplifica cómo puede concebirse un sistema cuántico que rompa las leyes de
la Termodinámica.
Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la
energía, es la más sólida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas
hasta ahora por la ciencia.
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 16 ~
CONCLUSION
Para concluir esta investigación podemos darnos cuenta que la Termodinámica
es una de las ramificaciones más importantes de la Física, esta ha desarrollado
las investigaciones y estudios a uno de los elementos más importantes para la
ciencia; la energía.
La termodinámica es utilizada todos los días de nuestra vida, por ello es
importante conocer y reconocer algunos procesos termodinámicos y su
relevancia para el funcionamiento de nuestro planeta y de nuestro entorno.
Sus descubrimientos con respecto a ella han arrojado muchas aportaciones
para el avance de la ciencia y las ingenierías, ya que su estudio en las
relaciones naturales y en los procesos de experimentación de otras ciencias se
pudo encontrar un vínculo entre la energía y la transferencia o producción de
calor de los procesos. Con las grandes aportaciones, nuevos conceptos
relacionados con el calor y su transferencia se fueron obteniendo, ampliando
así su contenido y diversificado campo de enfoque.
Con la llegada de los sistemas se pudo obtener una mejor idea de cómo
estudiar la Termodinámica y, mediante mucha experimentación, se logró
conseguir varios principios generales que ayudan a una mejor comprensión de
los resultados obtenidos, fueron las Leyes Termodinámicas los postulados
generales, que no son sólo una forma en la que pueden presentarse, sino que
estas leyes ayudaron a comprender por qué pasaban ciertas cosas.
Podemos concluir que el calor no es lo mismo que temperatura, y además que
esta no es energía, sino la medida de esta. También podemos concluir que el
calor es una transferencia de energía entre dos cuerpos, que también se puede
relacionar con el movimiento de los átomos.
FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M.
Unidad 4 ~ 17 ~
BIBLIOGRAFIA
"Leyesde laTermodinámica".Autor:María EstelaRaffino.De:Argentina.Para: Concepto.de.
Disponibleen:https://concepto.de/leyes-de-la-termodinamica/.
Capacidadcaloríficay calor especifico,17nov. 2010,
https://sites.google.com/site/fisicacbtis162/services/1-2-3-capacidad-calorifica-y-calor-
especifico
Conceptosbásicosde termodinámica,
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo/Termo.html#Conceptos%20básicos
Conceptostermodinámica,Alefisica,
https://www.nebrija.es/~cmalagon/Fisica_Aplicada/transparencias/02-Termodinamica/07_-
_Termodinamica.pdf
Escalas de temperatura(Articulo) Khanacademy. https://es.khanacademy.org/science/fisica-
pe-pre-u/x4594717deeb98bd3:energia-cinetica/x4594717deeb98bd3:calor-y-
temperatura/a/643-escalas-de-temperatura
https://es.wikipedia.org/wiki/Capacidad_calorífica
https://www.nebrija.es/~cmalagon/Fisica_Aplicada/transparencias/02-Termodinamica/07_-
_Termodinamica.pdf
Tiposy usosde lostermómetros,físicade fluidosytermodinámica,
https://nikolasbuitragoj.wordpress.com/segundo-corte/consultas/temperatura/como-medir-
la-temperatura/tipos-y-usos-de-los-termometros/

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Fisica general termodinamica

  • 1. TECNOLOGICO NACIONAL DE MEXICO INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE TACAMBARO INGENIERIA EN SISTEMAS COMPUTACIONALES 2º SEMESTRE FISICA GENERAL Unidad 4 Introducción a la termodinámica ALUMNO: Jesús Arreola Moreno DOCENTE: Ing. José Manuel Jaimes García junio del 2020
  • 2. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 2 ~ TABLA DE CONTENIDOS Introducción..................................................................................................................3 Unidad 4. Introducción a la termodinámica ................................................................4 4.1 Definiciones .....................................................................................................4 4.2 Escalas de temperatura ...................................................................................5 4.3 Capacidad calorífica.......................................................................................10 4.4 Leyes de la termodinámica ...........................................................................13 Conclusión ..................................................................................................................16 Bibliografía..................................................................................................................17
  • 3. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 3 ~ INTRODUCCION Este trabajo de investigación corresponde a la unidad 4 de la materia de Física General y trata sobre la termodinámica, está distribuido en cuatro subtemas, en el primero veremos algunos conceptos importantes para poder entender la unidad, en el segundo subtema se trata sobre las escalas de temperatura y sus medidas así también como los diferentes tipos de termómetros que existen para medir la temperatura en diferentes necesidades, en el tercer subtema de nombre capacidad calorífica que es la capacidad de los diferentes cuerpos de guardar el calor tanto los elementos gaseosos como los sólidos y también se verá lo que se necesita para medir la capacidad calorífica en diferentes condiciones y la forma como se miden. Para terminar la unidad, en el último subtema se abordan las 3 leyes de la termodinámica, mismas que describen el comportamiento de tres cantidades físicas fundamentales como son: la temperatura, la energía y la entropía, que son las que caracterizan a los sistemas termodinámicos. Matemáticamente, estos principios se describen mediante un conjunto de ecuaciones que explican el comportamiento de los sistemas termodinámicos, definidos como cualquier objeto de estudio (desde una molécula o un ser humano, hasta la atmósfera o el agua hirviendo en una cacerola).
  • 4. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 4 ~ UNIDAD 4. INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA 4.1 Definiciones La termodinámica (del griego θερμo, termo, que significa «calor» y δύναμις, dínamis, que significa «fuerza») es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio son estudiados y definidos por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden ser tratadas por medio de la termodinámica. Sistema termodinámico Un sistema termodinámico es una porción o región del espacio que separamos del resto para su estudio. Esta separación puede ser real o imaginaria, y lo que se encuentra fuera del sistema lo denominamos entorno (o medio ambiente). Estado de equilibrio Cuando las variables macroscópicas presión p, volumen V, y temperatura T, no cambian. El estado de equilibrio es dinámico en el sentido de que los constituyentes del sistema se mueven continuamente. El calor El calor no es una nueva forma de energía, es el nombre dado a una transferencia de energía de tipo especial en el que intervienen gran número de partículas. Se denomina calor a la energía intercambiada entre un sistema y el medio que le rodea debido a los choques entre las moléculas del sistema y el exterior al mismo y siempre que no pueda expresarse macroscópicamente como producto de fuerza por desplazamiento. Máquina termodinámica Es un sistema termodinámico el cual convierte la energía calórica en movimiento o trabajo. Máquina térmica Es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía
  • 5. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 5 ~ 4.2 Escalas de temperatura El principio anterior permite establecer la llamada "escala empírica de temperaturas". Para establecerla se debe tener: Un cuerpo Termométrico: es decir un cuerpo en que alguna propiedad varíe en forma continua y medible con la temperatura. Un punto de partida: un origen, fácilmente reproducible, desde donde partirá nuestra escala (en buenas cuentas el cero). Una unidad: es decir la magnitud que queremos asociar a un grado de temperatura. La temperatura se mide en grados Celsius o centígrados La escala de temperatura Celsius define la temperatura del punto de hielo como 0 grados C (0 ºC) Y la temperatura del punto de vapor como 100 ºC También se suele usar la escala de temperaturas Fahrenheit Define como 32 ºF la temperatura del punto de hielo y 212 ºF el punto de ebullición del agua Para pasar de una a otra usaremos la siguiente fórmula: Tc =5/9(TF-32ºF) También podemos usar la escala Kelvin Establece el punto cero en el cero absoluto (−273,15 °C) Se representa con la letra K, y nunca "°K" La temperatura de 0 K es denominada 'cero absoluto' y corresponde al punto en el que las moléculas y átomos de un sistema tienen la mínima energía térmica posible. Ningún sistema macroscópico puede tener una temperatura inferior a la temperatura medida en kelvin se le llama "temperatura absoluta", y es la escala de temperaturas que se usa en ciencia, La escala Celsius se define en la actualidad en función de la escala Kelvin o escala absoluta: T [K] = tC [°C] + 273,15 Midiendo la temperatura Ahora que ya sabes la diferencia entre calor y temperatura y su relación, vamos a conocer cuáles son las escalas más utilizadas para medir la temperatura. Cuando has sospechado estar con fiebre, lo más probable es que hayas medido tu temperatura con un termómetro. Los termómetros son utilizados para medir la temperatura de acuerdo a escalas de medida bien definidas. Las tres escalas de temperatura más comunes son: Celsius, Fahrenheit y Kelvin. Una escala de temperatura puede ser creada identificando dos temperaturas fácilmente reproducibles. Las temperaturas de ebullición (cambio de estado líquido a vapor) y de fusión (cambio del estado sólido al líquido) del agua, a una atmósfera de presión, son ejemplos de parámetros utilizados.
  • 6. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 6 ~ Celsius y Fahrenheit Estás haciendo una investigación acerca del calentamiento global y uno de tus compañeros consigue esta imagen: Fig. 1. Mapa de temperatura promedio anual máxima de Estados Unidos. ¿Temperaturas de 30 a 90 grados? Sí, pero Fahrenheit. Crédito de la imagen: Mamatus - Own work, CC BY-SA 3.0 Si bien la mayoría de países utilizan la escala Celsius o Centígrados, algunos usan la escala Fahrenheit, por lo que es bueno conocerlas y saber cómo se pueden convertir sus unidades, para poder entendernos entre todos. La escala Celsius (degree C°Cdegree, C) toma en cuenta el valor 0 degree0°0, degree para el punto de fusión del agua, mientras que el punto de ebullición del agua corresponde a 100 degree100°100, degree. En el caso de la escala Fahrenheit (degree F)°F)degree, F, right parenthesis, la más utilizada en Estados Unidos por ejemplo, el punto de fusión del agua está a los 32degree32°32, degreeFFF y el de ebullición a los 212degree212°212, degreeFFF. Es muy importante recordar que la variación en temperatura de un grado Celsius es mayor a la variación en temperatura de un grado Fahrenheit. Solo 100 degree100°100, degree CCC cubren el mismo rango que 180 degree180°180, degree FFF. La escala absoluta: grados Kelvin La escala Kelvin (abreviada como KKK, sin el símbolo de grado) es la escala más común utilizada para el trabajo científico, por una serie de características, como por ejemplo, que su 000 es el cero absoluto, es decir, la temperatura en la que los átomos y moléculas presentan la menor energía térmica posible.
  • 7. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 7 ~ En esta escala, el punto de fusión del agua se da a los 273 K273K273, K y el de ebullición, a los 373 K373K373, K. Como puedes notar, la magnitud de las diferencias de temperatura es la misma en Celsius y en Kelvin, es decir, la variación de un grado en la escala Celsius corresponde también a una variación de un grado en la escala Kelvin. Conversión de escalas Veamos gráficamente cómo están relacionadas las tres escalas de temperatura: Fig. 2. Gráfico de las escalas de temperatura De la imagen podemos deducir las fórmulas de conversión entre escalas. Por ejemplo, podemos ver que la diferencia entre la temperatura de fusión y la de ebullición del agua es de 100 grados en la escala Celsius y de 180 grados en la escala Fahrenheit, y que 0degree0°0, degreeCCC equivale a 32degree32°32, degreeFFF. Con estos datos, obtenemos que: Tipos y usos de los termómetros para comprender mejor sus características y funcionamiento a continuación se encuentra un listado de los tipos de estos instrumentos: 1. Termómetros De Vidrio O Termómetros De Líquido: Los termómetros de vidrio o también denominados termómetros de líquido son los más conocidos. Hasta fecha reciente se utilizaban los de mercurio, pero debido a la prohibición de esta substancia por su peligrosidad, han sido substituidos por los
  • 8. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 8 ~ de alcohol coloreado. Estos termómetros suelen ser de vidrio sellado. La temperatura se obtiene de ver en una escala marcada en el mismo termómetro hasta que nivel llega el líquido (mercurio o alcohol) que hay en su interior a causa de la dilatación/contracción del mismo debido al cambio de temperatura. La escala para la medición de temperatura más usada suele ser la Celsius (grados centigrados ºC), cuyo nombre viene de su descubridor Anders Celsius (S.XVIII). También se puede visualizar en grados Fahrenheit, inventor del termómetro de mercurio en por éste en 1714 y que viene representada por el símbolo ºF. 2. Termómetros De Resistencia: Los termómetros de resistencia basan la toma de temperatura en un alambre de platino integrado dentro del termómetro. Este alambre va ligado a una resistencia eléctrica que cambia en función de la temperatura. Es un termómetro que es muy lento en la toma de temperatura, pero preciso. Se suele usar para tomar la temperatura del exterior. 3. Termopar o par térmico (termómetros de contacto): Se trata de termómetros que miden la temperatura a partir de una resistencia eléctrica que produce un voltaje el cual varía en función de la temperatura de conexión. Es un termómetro de toma la temperatura de forma rápida y se suelen usar en laboratorios. Un termopar o termocupla es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basadas en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos. 4. Termómetros sin contacto o pirómetros: Se trata de lo último en termómetros y la mediciónde la temperatura se basa en la radiación de calor que desprenden los objetos (cada objeto tiene una emisividad concreta) cuando se calientan. Se denominan también termómetros infrarrojos y se utilizan, entre otras cosas, para medir temperaturas elevadas o de objetos en movimiento o que estén a distancia. La gran ventaja de este tipo de termómetros es que no requieren tocar el objeto y se puede conocer al instante la temperatura en la pantalla digital. Son utilizados en fundiciones, fábricas de vidrio, hornos para cocción de cerámica etc. Existen varios tipos según su principio de funcionamiento: Pirómetro óptico: se fundamentan en la ley de Wien de distribución de la radiación térmica, según la cual, el color de la radiaciónvaría con la temperatura. El color de la radiación de la superficie a medir se compara con el color emitido por un filamento que se ajusta con un reóstato calibrado. Se utilizan para medir temperaturas elevadas, desde 700 °C hasta 3.200 °C, a las cuales se irradia suficiente energía en el espectro visible para permitir la medición óptica.
  • 9. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 9 ~ Pirómetro de radiación total: se fundamentan en la ley de Stefan-Boltzmann, según la cual, la intensidad de energía emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Pirómetro de infrarrojos: captan la radiación infrarroja, filtrada por una lente, mediante un sensor fotorresistivo, dando lugar a una corriente eléctrica a partir de la cual un circuito electrónico calcula la temperatura. Pueden medir desde temperaturas inferiores a 0 °C hasta valores superiores a 2.000 °C. Pirómetro fotoeléctrico: se basan en el efecto fotoeléctrico, por el cual se liberan electrones de semiconductores cristalinos cuando incide sobre ellos la radiación térmica. 5. Termómetros Bimetálicos: Estos termómetros están formados por dos láminas de metales de distintos coeficientes de dilatación. Cuando hay cambio de temperatura, uno de los dos metales se curva antes que el otro y el movimiento se traduce en una aguja que a su vez marca en una escala la temperatura. Se utiliza sobre todo como sensor de temperatura en el termohigrógrafo. 6. Termómetros de gas: Pueden funcionar a presión contacte o a volúmen contante y debido a su tamaño, precio y complejidad sólo se utilizan como termómetros patrón en laboratorios con el objetivo de poder calibrar otros termómetros, ya que es un sistema muy preciso de medición de temperatura. 7. Termómetros digitales: Un circuito electrónico toma la temperatura y la información se envía a un microchip que la procesa y la muestra en una pantalla digital numéricamente. Suelen ser muy comunes para aplicaciones muy diversas en el hogar, medicina, industria.. al ser económicos, rápidos, precisos y fáciles de usar. Existen incluso termómetros digitales subacuáticos. 8. Termistor: Es un dispositivo que varía su resistencia eléctrica en función de la temperatura. Algunos Termómetros hacen uso de circuitos integrados que contienen un termistor, como el LM35. 9. El termómetro de globo, para medir la temperatura radiante. Consiste en un termómetro de mercurio que tiene el bulbo dentro de una esfera de metal hueca, pintada de negro de humo. La esfera absorbe radiación de los objetos del entorno más calientes que el aire y emite radiación hacia los más fríos, dando como resultado una medición que tiene en cuenta la radiación. Se utiliza para comprobar las condiciones de comodidad de las personas.
  • 10. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 10 ~ 10. El termómetro de bulbo húmedo, para medir el influjo de la humedad en la sensación térmica. Junto con un termómetro ordinario forma un psicrómetro, que sirve para medir humedad relativa, tensión de vapor y punto de rocío. Se llama de bulbo húmedo porque de su bulbo o depósito parte una muselina de algodón que lo comunica con un depósito de agua. Este depósito se coloca al lado y más bajo que el bulbo, de forma que por capilaridad está continuamente mojado. 11.El termómetro de máximas y mínimas es utilizado en meteorología para saber la temperatura más alta y la más baja del día, y consiste en dos instrumentos montados en un solo aparato. También existen termómetros individuales de máxima o de mínima para usos especiales o de laboratorio. 4.3 Capacidad calorífica La capacidad calorífica o capacidad térmica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma más rigurosa, es la energía necesaria para aumentar la temperatura de una determinada sustancia en una unidad de temperatura.1 Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende no solo de la sustancia sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la del agua de un vaso. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión. La capacidad calorífica (capacidad térmica) no debe ser confundida con la capacidad calorífica específica (capacidad térmica específica) o calor específico, el cual es la propiedad intensiva que se refiere a la capacidad de un cuerpo «para almacenar calor», y es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa del objeto. El calor específico es una propiedad característica de las sustancias y depende de las mismas variables que la capacidad calorífica.
  • 11. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 11 ~ La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar una unidad de temperatura (SI: 1 K) de una determinada sustancia, (usando el SI). 1 Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un cuerpo o sistema particular. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina olímpica será mayor que la de un vaso de agua. En general, la capacidad calorífica depende además de la temperatura y de la presión. Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura resultante. La capacidad calorífica viene dada por: Donde: C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de estado. Q es el calor absorbido por el sistema. ΔT la variación de temperatura Se mide en unidades del SI julios/K (o también en cal/ºC). La capacidad calorífica (C) de un sistema físico depende de la cantidad de sustancia o masa de dicho sistema. Para un sistema formado por una sola sustancia homogénea se define además el calor específico o capacidad calorífica específica c a partir de la relación: Donde: c es el calor específico o capacidad calorífica específica m la masa de sustancia considerada De las anteriores relaciones es fácil inferir que al aumentar la masa de una sustancia, se aumenta su capacidad calorífica ya que aumenta la inercia térmica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura. Un ejemplo de esto se puede apreciar en las ciudades costeras donde el mar actúa como un gran termostato regulando las variaciones de temperatura.
  • 12. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 12 ~ Capacidades caloríficas de sólidos y gases La capacidad calorífica de los sólidos y gases depende, de acuerdo con el teorema de equipartición de la energía, del número de grados de libertad que tiene una molécula, como se explicará a continuación. Gas monoatómico Un gas monoatómico, como por ejemplo son los gases nobles tiene moléculas formadas por un sólo átomo. Eso a que la energía de rotación, al ser la molécula casi puntual, pueda despreciarse. Así en los gases monoatómicos la energía total está prácticamente toda en forma de energía cinética de traslación. Como el espacio es tridimensional y existen tres grados de libertad de tralación eso conduce de acuerdo con el teorema de equipartición a que la energía interna total U de un gas ideal monoatómico y su capacidad calorífica CV vengan dadas por: Donde T es la temperatura absoluta, N es el número de moléculas de gas dentro del sistema que estudiamos, n el número de moles, k la constante de Boltzmann y R la constante universal de los gases ideales. Así el calor específico molar de un gas ideal monoatómico es simplemente cv = 3R/2 o cp = 5R/2. Los gases monoatómicos reales también cumplen las anteriores igualdades aunque de modo aproximado. Gas diatómico En un gas diatómico la energía total puede encontrarse en forma de energía cinética de traslación y también en forma de energía cinética de rotación, eso hace que los gases diatómicos puedan almacenar más energía a una temperatura dada. A temperatura próximas a la temperatura ambiente la energía interna y la capacidad caloríficas vienen dadas por: Para temperaturas extremadamente altas, la energía de vibración de los enlaces empieza a ser importante y los gases diatómicos se desvían algo de las anteriores condiciones. A temperaturas aún más altas la contribución del movimiento término de los electrones produce desviaciones adicionales. Sin embargo, todos los gases reales como el hidrógeno (H2), el oxígeno (O2), el nitrógeno (N2) o el monóxido de carbono (CO), cumplen a temperaturas ambiente moderadas las anteriores relaciones. Por tanto estos gases tienen calores específicos o capacidades caloríficas molares cercanos a cv = 5R/2. Gases poliatómicos El teorema de equipartición para gases poliatómicos sugiere que los gases poliatómicos que tienen enlaces "blandos" o flexibles y que vibran con facilidad con q frecuencias, deberían tener una capacidad calorífica molar. Donde r mide los grados de libertad rotacionales (r = 1 para moléculas lineales, r = 2 para moléculas planas y r = 3 para moléculas tridimensionales).
  • 13. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 13 ~ Sin embargo estas predicciones no se cumplen a temperatura ambiente. La capacidad calorífica molar aumenta moderadamente a medida que aumenta la temperatura. Eso se debe a efectos cuánticos que hacen que los modos de vibración estén cuantizados y sólo estén accesibles a medida que aumenta la temperatura, y la expresión (*) sólo puede ser un límite a muy altas temperaturas. Sin embargo, antes de llegar a temperaturas donde esa expresión sea un límite razonable muchas moléculas se rompen por efecto de la temperatura, no llegando nunca al anterior límite. Un tratamiento rigurso de la capacidad calorífica requiere por tanto el uso de la mecánica cuántica, en particular de la mecánica estadística de tipo cuántico. 4.4 Leyes de la Termodinámica Primera ley de la termodinámica También conocido como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, 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 Antoine Lavoisier. La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente: Eentra ? Esale = ?Esistema Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma: Q = Delta U + W Segunda ley de la termodinámica Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrase en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, La Segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio.
  • 14. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 14 ~ Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía tal que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero. Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos a temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja. Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin. Enunciado de Clausius Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen. Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen. En palabras de Sears es: " 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". Enunciado de Kelvin No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente y lo convierta íntegramente en trabajo. Otra interpretación Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo siempre será menor a la unidad y ésta estará más próxima a la unidad cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, mientras mayor sea el rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa. Tercera ley de la termodinámica La Tercera de las leyes de la termodinámica, propuesto por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto. No es una noción exigida por la Termodinámica clásica, así que es probablemente inapropiado tratarlo de “ley”. Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel cuántico. El demonio de Maxwell
  • 15. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 15 ~ ejemplifica cómo puede concebirse un sistema cuántico que rompa las leyes de la Termodinámica. Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la energía, es la más sólida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por la ciencia.
  • 16. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 16 ~ CONCLUSION Para concluir esta investigación podemos darnos cuenta que la Termodinámica es una de las ramificaciones más importantes de la Física, esta ha desarrollado las investigaciones y estudios a uno de los elementos más importantes para la ciencia; la energía. La termodinámica es utilizada todos los días de nuestra vida, por ello es importante conocer y reconocer algunos procesos termodinámicos y su relevancia para el funcionamiento de nuestro planeta y de nuestro entorno. Sus descubrimientos con respecto a ella han arrojado muchas aportaciones para el avance de la ciencia y las ingenierías, ya que su estudio en las relaciones naturales y en los procesos de experimentación de otras ciencias se pudo encontrar un vínculo entre la energía y la transferencia o producción de calor de los procesos. Con las grandes aportaciones, nuevos conceptos relacionados con el calor y su transferencia se fueron obteniendo, ampliando así su contenido y diversificado campo de enfoque. Con la llegada de los sistemas se pudo obtener una mejor idea de cómo estudiar la Termodinámica y, mediante mucha experimentación, se logró conseguir varios principios generales que ayudan a una mejor comprensión de los resultados obtenidos, fueron las Leyes Termodinámicas los postulados generales, que no son sólo una forma en la que pueden presentarse, sino que estas leyes ayudaron a comprender por qué pasaban ciertas cosas. Podemos concluir que el calor no es lo mismo que temperatura, y además que esta no es energía, sino la medida de esta. También podemos concluir que el calor es una transferencia de energía entre dos cuerpos, que también se puede relacionar con el movimiento de los átomos.
  • 17. FISICA GENERAL JESÚS ARREOLA M. Unidad 4 ~ 17 ~ BIBLIOGRAFIA "Leyesde laTermodinámica".Autor:María EstelaRaffino.De:Argentina.Para: Concepto.de. Disponibleen:https://concepto.de/leyes-de-la-termodinamica/. Capacidadcaloríficay calor especifico,17nov. 2010, https://sites.google.com/site/fisicacbtis162/services/1-2-3-capacidad-calorifica-y-calor- especifico Conceptosbásicosde termodinámica, http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo/Termo.html#Conceptos%20básicos Conceptostermodinámica,Alefisica, https://www.nebrija.es/~cmalagon/Fisica_Aplicada/transparencias/02-Termodinamica/07_- _Termodinamica.pdf Escalas de temperatura(Articulo) Khanacademy. https://es.khanacademy.org/science/fisica- pe-pre-u/x4594717deeb98bd3:energia-cinetica/x4594717deeb98bd3:calor-y- temperatura/a/643-escalas-de-temperatura https://es.wikipedia.org/wiki/Capacidad_calorífica https://www.nebrija.es/~cmalagon/Fisica_Aplicada/transparencias/02-Termodinamica/07_- _Termodinamica.pdf Tiposy usosde lostermómetros,físicade fluidosytermodinámica, https://nikolasbuitragoj.wordpress.com/segundo-corte/consultas/temperatura/como-medir- la-temperatura/tipos-y-usos-de-los-termometros/