Termodinamica

Termodinamica  GRADO 9
TAREA 2 

1. Realizar planos de la devolución creativa teniendo en un medio pliego de papel bond.

2. Presentar a través de PowerPoint, los referentes conceptuales, teniendo en cuenta, los planos realizados en el punto 1. (cienciasdelavida.qfb@gmail.com )

3. A través de los planos de realizados en el punto 1. Realizar la devolución creativa utilizando, diversos materiales que le permitan materializar a través de una maqueta.
4. Realizar un video  explicando tu devolucion creativa en terminos termodinamicos.

Las leyes de la termodinámica

Estudiaremos la relación entre la energía interna, el trabajo que realiza un sistema o que se realiza sobre él y el calor que se le suministra o que cede.

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

Podemos descubrir una propiedad importante del equilibrio térmico considerando tres sistemas, A, B y C, que inicialmente no están en equilibrio térmico. Rodeamos los sistemas con una caja aislante ideal para que sólo puedan interactuar entre sí. Separamos A y B con una pared aislante ideal (la barra verde en la figura 17.2a); pero dejamos que C interactúe tanto con A como con B. Esta interacción se indica en la figura con una barra amarilla que representa un conductor térmico, es decir, un material que permite la interacción térmica. Esperamos hasta que se establece el equilibrio térmico; entonces, A y B están en equilibrio térmico con C pero, ¿están en equilibrio térmico entre sí?

La primera ley de la termodinámica

Una de las leyes de la naturaleza es aquella que afirma que la energía se conserva.

Ejemplos:

En las centrales hidroeléctricas, la energía potencial gravitacional (asociada a líquido en el punto más alto de una caída de agua) se transforma en energía cinética y se transfiere a las aspas de las turbinas de un generador de electricidad; entonces la energía se manifiesta como energía eléctrica, la cual, posteriormente, se manifiesta en forma de calor cuando calentamos los alimentos en una estufa eléctrica.

Una transformación de energía cinética en calor ocurre cuando un automóvil se detiene por la acción de su sistema de frenos, lo cual se evidencia en el calentamiento del sistema al que está sujeta cada llanta. 

Otra forma de esta transformación ocurre cuando frotamos las manos con el fin de combatir el frío. Este hecho sugiere que parte de la energía cinética asociada a las manos en movimiento se transforma en calor.

Los motores de los automóviles están provistos de unos cilindros, dentro de los cuales se producen explosiones que generan el movimiento y a la vez desprenden calor. Este ejemplo ilustra transformación de energía de un sistema en calor y trabajo.

Sabemos que la caloría se define como la cantidad de calor que debe absorber un gramo de agua para que su temperatura aumente en un grado centígrado. Además, se ha comprobado que se puede elevar la temperatura del agua o cualquier sistema, realizando trabajo sobre él sin suministrar calor.

La primera ley de la termodinámica.

Considera que un sistema que ni absorbe ni cede calor. Si el sistema realiza trabajo, su energía interna disminuye y tal disminución de energía interna es igual al trabajo realizado por el sistema. De la misma manera, podemos incrementar la energía interna de dicho sistema si realizamos trabajo sobre él y el incremento de energía es igual al trabajo realizado. 

Cuando se realiza trabajo sobre un sistema o se le suministra calor, la energía interna aumenta. Así mismo, cuando el sistema realiza trabajo o cede calor, la energía interna disminuye. 

Estos resultados se resumen en la primera ley de la termodinámica, la cual establece que la variación de energía interna de un sistema se expresa como

Donde ∆U representa la variación de la energía interna, Q el calor absorbido o cedido por el sistema y W el trabajo realizado por dicho sistema o el trabajo que se realiza sobre él. El siguiente esquema muestra el criterio de los signos para el calor y el trabajo realizado en un sistema.

Trabajo en los gases

Consideremos un gas contenido dentro de un cilindro provisto de un pistón cuya área es A, sobre el cual actúa la presión atmosférica P1. Cuando la temperatura del gas aumenta, el gas se expande a presión constante, pues el émbolo siempre está sometido a la presión atmosférica. Supongamos, además, que la fricción entre el émbolo y las paredes del cilindro es despreciable. Cuando el gas se expande, ejerce fuerza F sobre el pistón y le produce un desplazamiento ∆x, en consecuencia, el gas realiza trabajo sobre el pistón.

La fuerza que aplica el gas sobre el pistón es constante pues la presión y el área son constantes.

Recordemos que el trabajo se expresa como: 

donde P es la presión que experimenta el gas y A es el área del pistón. La variación del volumen es A V = A • ∆x, luego el trabajo realizado por el gas es: W = P- ∆V

En la gráfica de la figura 22a, se muestra la representación gráfica de la presión en función del volumen. Este tipo de gráfica se conoce como diagrama P-V. Observemos que en este diagrama el área comprendida entre la gráfica y el eje horizontal corresponde al trabajo realizado por el gas.

Si la presión durante el proceso no fuera constante, la representación gráfica en el diagrama P-V no sería una recta horizontal, sin embargo, podemos considerar que la región comprendida entre la curva y el eje horizontal está formada por rectángulos de base muy pequeña y, enton¬ces, se cumple que el trabajo realizado por el gas también corresponde al área sombreada en la figura 22b.

Procesos termodinámicos

Proceso adiabático

Un proceso termodinámico en el cual no hay transferencia de calor se conoce como proceso adiabático. Es decir, que en este tipo de procesos se tiene que Q = 0. De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos:   Como Q = 0, entonces a partir de ∆U = Q-W     tenemos: ∆U = - W

Para un gas contenido dentro de un cilindro provisto de un pistón, cuyas paredes no permiten la transferencia de calor al exterior, la variación de energía interna es igual al trabajo, ya sea realizado por el sistema o sobre el sistema (figura 23).

Cuando el sistema realiza trabajo, dicho trabajo es positivo entonces ∆U es negativo, es decir que la energía interna disminuye y, en consecuencia, disminuye la temperatura del sistema.

Cuando se realiza trabajo sobre el sistema, dicho trabajo es negativo, entonces ∆U es positivo, es decir, que la energía interna aumenta y, en consecuencia, aumenta la temperatura del sistema.

Proceso isotérmico

Un proceso termodinámico en el cual la temperatura permanece constante se conoce como proceso isotérmico. Es decir que en este tipo de procesos la temperatura no varía y, en consecuencia, la energía interna permanece constante, lo cual significa que ∆U = 0.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos:

Como ∆U = 0, a partir de ∆U = Q - W

tenemos Q = W

Este proceso ocurre cuando a un sistema, como un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón, se le suministra calor y se producen cambios en la presión y el volumen y, sin embargo, su temperatura permanece constante (figura 24).

Cuando el gas absorbe calor, Q es positivo, por tanto, el trabajo W es positivo, es decir, que el gas realiza trabajo cuyo valor es igual al calor absorbido. En este caso el gas se expande.

Cuando se realiza trabajo sobre el gas, comprimiéndolo, W es negativo, luego Q es negativo, es decir, que el gas cede calor en una cantidad igual al trabajo realizado sobre él.

En el tema anterior mostramos que el diagrama P-V para un gas cuando la temperatura es constante, se representa por una isoterma (figura 25). Esto significa que, en todos los estados del gas representados por la gráfica, la energía interna es la constante. 

Proceso isométrico

Un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante se conoce como proceso isométrico. Es decir, que en este tipo de procesos el volumen no varía y, en consecuencia, el trabajo es igual a cero, lo cual significa que W = 0.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica: Como W = 0, entonces, a partir de ∆U = Q - W tenemos Q = ∆U

Supongamos que un gas está contenido dentro de un cilindro provisto de un pistón en el que no cambia el volumen (figura 26).

Cuando el sistema absorbe calor se incrementa la energía interna del gas y, en consecuencia, su temperatura aumenta.

Si el sistema cede calor, disminuye la energía interna y, en consecuencia, su temperatura disminuye.

Proceso isobárico

Un proceso termodinámico en el cual la presión permanece constante se conoce como proceso isobárico (figura 27). En este proceso, como la presión se mantiene constante, se produce variación en el volumen y, por ende, el sistema puede realizar trabajo o se puede realizar trabajo sobre él.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos: ∆U=Q-W Es decir que en un proceso isobárico tanto el calor transferido como el trabajo ocasionan una variación de energía interna.