Transferencia de energía por trabajo

es una generalización de la conservación de la energía en los procesos térmicos. Se basa en la conclusión de Joule de que el calor y la energía son equivalentes. Pero para llegar a ella hay que sortear algunas trampas en el camino.

Podríamos entonces agregar calor a las energías potencial y cinética de un sistema, y llamar a esta suma la energía total, que es lo que conservaría. De hecho, esta solución funciona bien para una gran variedad de fenómenos, incluyendo los experimentos de Joule. Los problemas surgen con la idea de “contenido” de calor de un sistema. Por ejemplo, cuando se calienta un sólido hasta su punto de fusión, una “entrada de calor” adicional provoca la fusión pero sin aumentar la temperatura.
Con este sencillo experimento vemos que considerar simplemente la energía térmica medida solo por un aumento de temperatura como parte de la energía total de un sistema no dará una ley general completa.

En lugar de “calor”, podemos usar el concepto de energía interna, esto es, una energía en el sistema que puede tomar formas no directamente relacionadas con la temperatura. Podemos entonces usar la palabra “calor” para referirnos solamente a una transferencia de energía entre un sistema y su entorno. De forma análoga, el término trabajo no lo utilizaremos para describir algo contenido en el sistema, sino que describe una transferencia de energía de un sistema a otro. Calor y trabajo son, pues, dos formas en las que la energía se transfiere, no energías.

La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía total de un sistema cerrado, ΔE, viene dado por la suma del trabajo realizado sobre o por el sistema y la transferencia neta de calor hacia o desde el sistema. Simbólicamente, ΔE = W + ΔQ.”

Carácterísticas de la primera ley de termodinámica

Los resultados obtenidos por Joule hacen ver que para sistemas aislados de su exterior, y a los que se les suministra la misma cantidad de energía mecánica de maneras diferentes, el cambio observado en el sistema es el mismo. En este experimento el cambio se registra por la variación de la temperatura del sistema.

Es importante observar que en estos experimentos el sistema no se mueve, su energía cinética es cero, no se desplaza con respecto al nivel del suelo, su energía potencial permanece constante y sin embargo, el sistema ha absorbido una cierta cantidad de energía. A esta energía la llamamos la energía interna del sistema.

Se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variará. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor.

El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metálico con agua; podemos elevar la temperatura del agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor.

Aplicaciones de la primera ley de la termodinámica

Sistemas cerrados

Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinámico. También es conocido como masa de control. El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo a través de su frontera. La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico) es:

donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema, W es el trabajo total e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y U es la energía interna del sistema.

Sistemas abiertos

Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera.

Se sitúan 15 L de gas ideal en un recipiente a 27 ºC. El recipiente cuenta con un pistón móvil libre de rozamiento. La presión en el exterior se mantiene constante a 750 mmHg. Determina, si se eleva la temperatura a 190 ºC:

El trabajo realizado en el proceso

La variación de energía interna que tiene lugar

El calor transferido durante el mismo

Representa el proceso en un diagrama presión – volumen ( p – V )

.      En los procesos a presión constante el trabajo termodinámico, según el criterio de signos establecido, viene dado por la expresión:

Para determinar el volumen final podemos aplicar la ecuación de estado de los gases ideales, de la siguiente manera:

La segunda ley de la termodinámica de aquí que todo el trabajo se puede convertir en calor pero no todo el calor puede convertirse en trabajo. La primera ley no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que el proceso ocurrirá realmente. Cuando los procesos no se pueden dar, esto se puede detectar con la ayuda de una propiedad llamada entropía.
Un proceso no sucede a menos que satisfaga la primera y la segunda ley de la Termodinámica.

El empleo de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos. La segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad.

Importancia de la termodinámica La termodinámica es una disciplina que se encuadra dentro de la física y que se aboca al estudio de los fenómenos relativos al calor. El interés de la termodinámica se centra especialmente en considerar la manera en que se transforman las distintas formas de energía y la relación existente entre estos procesos y la temperatura.

Carácterísticas de la segunda ley de termodinámica:Este segundo principio establece que “la cantidad de entropía en el universo tiende a incrementarse en el tiempo”, esto es, que el gradiente de desorden de todos los sistemas incrementa una vez que éstos hayan alcanzado el equilibrio.

Dicho de otro modo: dado el tiempo suficiente, todos los sistemas tienden al desequilibrio.

Esta ley postula la irreversibilidad de los fenómenos físicos, e introduce la función de estado entropía (S), que representa la pérdida inevitable de la energía.

Objetivo de la segunda ley de TermodinámicaConocer las implicaciones de la segunda ley de la termodinámica.· Relacionar la irreversibilidad de los procesos y su relación con la entropía.

Ventajas:La enorme productividad tecnológica que ha derivado el conocimiento de la diversidad de fenómenos físicos que describe la Ley cero de la Termodinámica.Los inventores a través del perfeccionamiento de la máquina de vapor, desarrollaron una máquina habitual para la navegación marina y la transportación terrestre (locomotoras). Resultando así, que el desarrollo tecnológico súperó a la teoría científica.

Desventajas:Algunas industrias desarrollan la termodinámica en sectores no apropiados, producíéndose así la contaminación al medio ambiente. Como lo es la contaminación térmica, producida por la actividad humana.

Aplicaciones de la termodinámica en la ingeniería industrial

La ingeniería industrial se dio a conocer después de la revolución industrial en el Siglo XVIII por medio del aumento de producción e ingresos en las compañías, para lograr éste fin, la ingeniería fomento sus procesos por medio de la eficiencia, energía, procesos térmicos y claro está, por la reorganización de los factores críticos.Fomentados en la tecnología y la ciencia, surgíó la revolución industrial, gracias al crecimiento de la producción e industria manufacturera. Pero, el factor determinante para que este proceso comenzara, fue la construcción de las maquinas térmicas, en este caso la máquina de vapor

Máquina térmica:Es un aparato que opera continuamente o cíclicamente y ejecuta una cierta cantidad de trabajo como resultado de la transferencia de calor de una fuente de alta temperatura a otra de temperatura baja.La máquina térmicapermite obtener un sistema que opera en un ciclo con un trabajo positivo y una transmisión de calor positiva.

Eficiencia térmica

Es la medida del rendimiento de una máquina térmica y se define como la relación entre el trabajo neto obtenido y el calor suministrado al fluido de trabajo

Estudio de la entropía en la Segunda ley de termodinámica

El grado de aleatoriedad o desorden en un sistema se llama entropía. Puesto que sabemos que cada transferencia de energía resulta en la conversión de una parte de energía en una forma no utilizable (como calor) y que el calor que no realiza trabajo se destina a aumentar el desorden del universo, podemos establecer una versión relevante para la biología de la segunda ley de la termodinámica: cada transferencia de energía que se produce aumentará la entropía del universo y reducirá la cantidad de energía utilizable disponible para realizar trabajo (o en el caso más extremo, la entropía total se mantendrá igual).

La tercera ley fue desarrollada por el químico Walther Nernst durante los años 1906-1912, por lo que se refiere a menudo como el teorema de Nernst o postulado de Nernst. La tercera ley de la termodinámica dice que la entropía de un sistema en el cero absoluto es una constante definida.

Esto se debe a que un sistema a temperatura cero existe en su estado fundamental, por lo que su entropía está determinada sólo por la degeneración del estado fundamental.

En términos simples, la tercera ley3 indica que la entropía de una sustancia pura y cristalina en el cero absoluto es nula. Por consiguiente, la tercera ley provee de un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. La entropía relativa a este punto es la entropía absoluta

Otra aplicación de la tercera ley es con respecto al momento magnético de un material. Los metales paramagnéticos (con un momento aleatorio) se ordenarán a medida de que la temperatura se acerque a 0 K. Se podrían ordenar de manera ferromagnética (todos los momentos paralelos los unos a los otros) o de manera antiferromagnética.

Ventajas:

El tercer principio de la Termodinámica establece que la entropía de un elemento puro en su forma condensada estable, formando una red sólida cristalina sin defectos, es cero cuando la temperatura tiende a cero.

Según la tercera ley de la termodinámica, la entropía (o desorden) de un cristal puro sería nula en el cero absoluto; esto tiene una importancia considerable en el análisis de reacciones químicas y en la física cuántica.

Desventajas:

Según este principio, todas las entropías molares estándar son positivas, proporcionando un origen de entropías. Pero como no se puede alcanzar un estado de orden absoluto, con entropía cero, otra forma de plantearlo es decir que no se puede llegar al cero absoluto de temperaturas.

Algunos pierden por completo su resistencia eléctrica

La medida de las temperaturas en valores cercanos al cero absoluto presenta problemas especiales

El oxígeno tiene muchos usos: por ejemplo, en motores de cohetes, en los altos hornos, en sopletes de corte y soldadura o para hacer posible la respiración en naves espaciales y submarinos.

nitrógeno se emplea en la producción de Amóníaco para fertilizantes o en la preparación de alimentos congelados que se enfrían con suficiente rapidez para impedir que se destruyan los tejidos celulares.

La criogenia ha hecho posible el transporte comercial de gas natural licuado. Sin la criogenia, la investigación nuclear carecería de hidrógeno y helio líquidos para los detectores de partículas y para los potentes electroimanes necesarios en los grandes aceleradores de partículas.