INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA

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Breve ensayo sobre termodinámica

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Mecnicalos Fluidos y Termodinmica.

INTRODUCCIN A LA TERMODINMICA.

Ingeniera.Latermodinmica(delgriegoo, termo, que significa calory ,dnamis, que significa fuerza)es la rama de lafsicaque describe los estados deequilibrioa nivel macroscpico.Constituye unateora fenomenolgica, a partir derazonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sinmodelizary sigue un mtodo experimental.Los estados de equilibrio son estudiados y definidos por medio demagnitudes extensivastales como laenerga interna, laentropa, elvolumeno la composicinmolardel sistema,o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como latemperatura,presiny elpotencial qumico; otras magnitudes tales como laimanacin, lafuerza electromotrizy las asociadas con la mecnica de losmedios continuosen general tambin pueden ser tratadas por medio de la termodinmica. La termodinmica ofrece un aparato formal aplicable nicamente aestados de equilibrio,definidos como aquel estado hacia el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrnsecos y no por influencias externas previamente aplicadas.Tales estados terminales de equilibrio son, por definicin, independientes del tiempo, y todo el aparato formal de la termodinmica -todas las leyes y variables termodinmicas-, se definen de tal modo que podra decirse que un sistema est en equilibrio si sus propiedades pueden ser descritas consistentemente empleando la teora termodinmica.Los estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las restricciones a las que est sometido. Por medio de los cambios producidos en estas restricciones (esto es, al retirar limitaciones tales como impedir la expansin del volumen del sistema, impedir el flujo de calor, etc), el sistema tender a evolucionar de un estado de equilibrio a otro;comparando ambos estados de equilibrio, la termodinmica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energa trmica entre sistemas trmicos diferentes.Como ciencia fenomenolgica, la termodinmica no se ocupa de ofrecer una interpretacin fsica de sus magnitudes. La primera de ellas, laenerga interna, se acepta como una manifestacin macroscpica de las leyes de conservacin de la energa a nivel microscpico, que permite caracterizar el estado energtico del sistema macroscpico.El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinmicas son los que postulan que la energa puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor otrabajo, y que slo puede hacerse de una determinada manera. Tambin se introduce una magnitud llamadaentropa,que se define como aquella funcin extensiva de la energa interna, el volumen y la composicin molar que toma valores mximos en equilibrio: el principio de maximizacin de la entropa define el sentido en el que el sistema evoluciona de un estado de equilibrio a otro.Es lamecnica estadstica, ntimamente relacionada con la termodinmica, la que ofrece una interpretacin fsica de ambas magnitudes: la energa interna se identifica con la suma de las energas individuales de los tomos y molculas del sistema, y la entropa mide el grado deordeny el estado dinmico de los sistemas, y tiene una conexin muy fuerte con lateora de informacin.En la termodinmica se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos comosistema termodinmicoy su contorno. Un sistema termodinmico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre s mediante lasecuaciones de estado. stas se pueden combinar para expresar laenerga internay lospotenciales termodinmicos, tiles para determinar las condiciones de equilibrio entre sistemas y los procesos espontneos.Con estas herramientas, la termodinmica describe cmo los sistemas responden a los cambios en su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de ramas de lacienciay de la ingeniera, tales comomotores,cambios de fase,reacciones qumicas,fenmenos de transporte, e inclusoagujeros negros.Ley cero de la termodinmica.Esteprincipioo ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominadatemperatura emprica, que es comn para todos los estados deequilibrio termodinmicoque se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.En palabras llanas: Si pones en contacto un objeto fro con otro caliente, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan.

Tiene una gran importancia experimental pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema pero no resulta tan importante en el marco terico de la termodinmica.Elequilibrio termodinmicode un sistema se define como la condicin del mismo en el cual las variables empricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presin, volumen, campo elctrico, polarizacin, magnetizacin, tensin lineal, tensin superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parmetro cintico, asociado a nivel microscpico; el cual a su vez est dentro de la fsico qumica y no es parmetro debido a que a la termodinmica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final. A dichas variables empricas (experimentales) de un sistema se las conoce comocoordenadas trmicas y dinmicasdel sistema.Este principio fundamental, an siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta despus de haberse enunciado las otras tres leyes. De ah que recibiese el nombre de principio cero.Ejercicios de conversin de unidades.

Cuntos F hay en 37C?Solucin.La frmula para convertir C a F es:

Por lo tanto, con los valores de nuestro problema, esto es:

Cuntos F hay en 300 K?Solucin.La frmula para convertir de K a F es la siguiente:

Sustituyendo los valores:

A cuntos C equivalen 98.6 F?Solucin.La frmula para convertir de F a C es la siguiente:

Aplicando con los valores correspondientes:

Primera ley de la termodinmica.Tambin conocida comoprincipiodeconservacin de la energapara la termodinmica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien ste intercambia calor con otro, laenerga internadel sistema cambiar.En palabras llanas: "La energa ni se crea ni se destruye: solo se transforma".La energa no se crea ni se destruye, solo se transforma

Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energa necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entretrabajoy energa interna. Fue propuesta por Nicolas Lonard Sadi Carnoten1824, en su obraReflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las mquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinmica. Esta obra fue incomprendida por los cientficos de su poca, y ms tarde fue utilizada porRudolf ClausiusyLord Kelvinpara formular, de una manera matemtica, las bases de la termodinmica.La ecuacin general de la conservacin de la energa es la siguiente:

Que aplicada a la termodinmica teniendo en cuenta elcriterio de signos termodinmico, queda de la forma:

Donde U es la energa interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.Esta ltima expresin es igual de frecuente encontrarla en la formaU = Q + W. Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia est en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional.Segunda ley de la termodinmica.Esta ley marca la direccin en la que deben llevarse a cabo losprocesos termodinmicosy, 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 concentrarse en un pequeo volumen). Tambin establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energa de un tipo en otro sin prdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energa que hipotticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta slo el primer principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud fsica llamadaentropa, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energa con su entorno), la variacin de la entropa siempre debe ser mayor que cero.Ilustracin de la segunda ley mediante una mquina trmica.

Debido a esta ley tambin se tiene que el flujo espontneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio trmico.La aplicacin ms conocida es la de las mquinas trmicas, que obtienen trabajo mecnico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero fro. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecnico obtenido.Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacndose el de Clausius y el de Kelvin.Energa.El trmino energa (delgriego/energeia, actividad, operacin; /energos =fuerzade accin o fuerzatrabajando) tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner enmovimiento.Enfsica, energa se define como la capacidad para realizar untrabajo. Entecnologayeconoma, energa se refiere a unrecurso natural(incluyendo a su tecnologa asociada) para extraerla, transformarla y darle un uso industrial o econmico.

Entropa.Entermodinmica, laentropa(simbolizada comoS) es unamagnitud fsicaque, mediante clculo, permite determinar la parte de laenerga que no puede utilizarse para producirtrabajo. Es unafuncin de estadode carcterextensivoy su valor, en unsistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se d de forma natural. La entropa describe loirreversiblede los sistemastermodinmicos. La palabraentropa procede delgriego() y significa evolucin o transformacin. FueRudolf Clausiusquien le dio nombre y la desarroll durante la dcada de 1850;yLudwig Boltzmann, qui