Introducción
En este ensayo se dará a conocer lo que es la termodinámica y también se darán a conocer sus tres leyes que son las siguientes:
El cero absoluto
Primera de la termodinámica
Segunda ley de la termodinámica
Tercera ley de la termodinámica
También se darán a conocer conceptos básicos respecto al tema y explicación de cada una de las leyes mencionadas.
La termodinámica es el estudio del calor y de su transformación en energía mecánica.lla palabra termodinámica proviene de la palabra griega que significa "movimiento de calor".
La ciencia de la termodinámica se desarrollo a mediados del siglo XIX, antes de que se entendiese la naturaleza atómica y moléculas de la materia.
Hasta aquí, nuestro estudio del calor se ha concentrado en el comportamiento microscópico de los átomos y moléculas que se agiten.
La termodinámica pasa por alto los detalles moleculares de los sistemas y ocupa solo de los aspectos macroscópicos: el trabajo mecánico, la presión, la temperatura y las funciones que estos factores desempeñan en la transformación de la energía
Los cimientos de la termodinámica son la conservación de la energía y el hecho de que el calor fluye de los objetos calientes a los fríos, y no de sentido opuesto. Esto nos proporciona la teoría básica de las maquinas térmicas, desde turbinas de vapor hasta reactores de fusión, y la teoría básica de los refrigeradores y las bombas de calor.
El cero absoluto:
A medida que aumenta el movimiento térmico de los átomos,se eleva la temperatura. No parece haber un límite superior de temperatura. En cambio, en el otro extremo de la escala de temperaturas existe un límite bien definido.Si reducimos continuamente el movimiento térmico de los átomos de una sustancia, la temperatura disminuye.
El cero absoluto ya no se puede extraer más energía de una sustancia ni reducir aun más su temperatura. Esta temperatura límite es de 273 grados bajo cero en la escala de Celsius.
El cero absoluto corresponde a cero grados en la escala kelvin, o termodinámica, y se escribe 0 K (que significa "cero kelvin"). A diferencia de la escala Celsius, la escala termodinámica no contiene números negativos. Los grados de la escala kelvin son del mismo tamaño que los de la escala Celsius. Así, el hielo se funde a 0°C, o 273, y el agua hierve a 100°C, o 373 K. la escala kelvin se llama así en honor del físico británico Lord Kelvin, quien acuño la palabra termodinámica y fue el primero en proponer esta escala.
En resumen esta ley dice que "si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre
Primera ley de la termodinámica
En el siglo XVIII se pensaba que el calor que el calor era un fluido invisible, llamado calórico, que fluía como el agua de los objetos calientes a los objetos fríos. El calórico se conservaba en toda interacción; este descubrimiento condujo la formulación de la ley de conservación de la energía. En la década de 1840 se hizo evidente que el flujo de calor no era otra cosa que un flujo de energía. La teoría del calórico fue abandonada poco a poco. Hoy en día consideramos el calor como una forma de energía.
"La energía no se crea ni se destruye" fue propuesto por Nicolás Leonard Sadi Carnot en 1824.
Cuando la ley de conservación de la energía se aplica a los sistemas térmicos la llamamos primera ley de la termodinámica. En términos generales, se expresa de la siguiente manera:
Siempre que un sistema recibe calor, este se transforma en una cantidad igual de alguna otra forma de energía.
Por sistema entendemos cualquier grupo de átomos, moléculas partículas u objetos del que deseamos ocuparnos. El sistema puede ser el vapor de agua de una máquina de vapor, toda la atmosfera terrestre, o incluso el cuerpo de un ser viviente. Es importante definir tanto lo que el sistema contiene como lo que esta fuera de él. Si suministramos energía calorífica al vapor de agua de una máquina de vapor, a la atmosfera terrestre o al cuerpo de un ser vivo, estos sistema podrán realizar trabajo sobre objetos extremos. La energía suministrada hace una de dos cosas, o ambas: (1) aumenta la energía interna del sistema si permanece en el o (2) realiza trabajo externo si sale del sistema. Así pues, en términos más específicos la primera ley de la termodinámica establece que
Calor suministrado= aumento en la + trabajo externo realizado
Energía interna por el sistema
Laprimer ley de la termodinámica es razonable. Así pues vemos que si suministramos una cierta cantidad de calor a una máquina de vapor de agua y el resto se transforma en trabajo mecánico.
La primera ley de la termodinámica es simplemente una versión térmica de la ley de conservación de la energía.
La adición de calor no es la única forma de aumentar la energía interna de un sistema. Si hacemos igual a cero el término de "calor suministrado" de la primera ley, veremos que los cambios de energía interna son iguales al trabajo realizado sobre el sistema o por él. Si realizamos trabajo sobre un sistema (comprimiéndolo, por ejemplo), su energía interna aumenta. De esta manera hemos elevado la temperatura del sistema realiza trabajo (expandiéndose contra su entorno, por ejemplo), su energía interna disminuye el sistema se enfría sin que extraiga calor.
Procesos adiabáticos
El proceso de compresión o expansión de un gas durante el cual no entra ni sale calor del sistema se describe como adiabático("impasible", en griego). Se consiguen cambios adiabáticos de volumen llevando a cabo el proceso con rapidez, de modo que haya poco tiempo para para que el calor entre o salga (como en el caso de la bomba para bicicleta), o aislando térmicamente el sistema de su entorno (con espuma de poli estireno, por ejemplo).
La comprensión y la expansión se verifican en solo unas centésimas de segundo, un intervalo demasiado breve para que salga una cantidad apreciable de energía calorífica de la cámara de combustión. Cuando la comprensión es muy alta, como en el caso de un motor a diesel, las temperaturas que se alcanzan son lo bastante elevadas como para encender la mezcla de combustible sin necesidad de usar una bujía. Los motores de diesel no tienen bujía.
Así pues, cuando se realiza trabajo sobre un gas comprimiéndolo adiabáticamente, el gas gana energía interna y se calienta. Un gas que experimenta una expansión adiabática realiza trabajo sobre su entorno y cede energía interna, así que se enfría.
Se puede modificar la temperatura del aire agregado o quitado calor, cambiando la presión del aire, o por ambos medios. El aire absorbe calor de la energía solar, de la radiación terrestre de onda larga, de la condensación de humedad o por contacto con el suelo caliente. Existe muchos procesos atmosféricos, que por lo común se lleva a cabo en periodos de un día o menos, en los cuales la cantidad de calor suministrada o extraída es muy pequeña, lo suficiente para que el proceso sea prácticamente adiabático. Tenemos entonces la forma adiabática de la primera ley:
Cambio de la temperatura del aire ~ cambio de presión
Los procesos adiabáticos atmosféricos se llevan a cabo en grandes masas de aire cuyas dimensiones son del orden kilómetros. Llamaremos burbujas a estas grandes masas de aire. Debido a su gran tamaño, las distintas temperaturas o presiones del aire mezclan solo en sus bordes y no alteran de manera apreciable la composición general de las burbujas.
Cuando una burbuja de aire sube por la ladera de una montaña, su presión disminuye y permite que la burbuja se expanda y se enfrié.
Un ejemplo extraordinario de este calentamiento adiabático es el "Chinook" un viejo que sopla de las montañas rocallosas sobre la gran planicie. La atmosfera comprime el aire frio que desciende por la ladera de las montañas y este se calienta considerablemente.
Segunda ley de la termodinámica
Se enuncia de muchas maneras, pero la más sencilla es esta:
"el calor jamás fluye espontáneamente de un objeto frio a un objeto caliente"
El calor fluye en un solo sentido: cuesta abajo, de lo caliente a lo frio. En invierno, el calor fluye del interior de una casa caliente al frio aire exterior. En verano, el calor fluye del cálido aire exterior al fresco interior de las casas. El sentido de flujo del calor va de lo caliente a lo frio. Se puede hacer que el calor fluya en sentido contrario, pero solo a expensas de un esfuerzo externo, como en el caso de una bomba de calor que eleva la temperatura del aire, o de los acondicionadores de aire que reducen su temperatura. Sin un esfuerzo externo, el flujo de calor va de lo caliente a lo frio.
Maquinas térmicas y la segunda ley
Todo el trabajo que realizamos para vencer la fricción se convierte en calor. Pero el proceso inverso, la transformación total de calor en trabajo, es imposible. Lo más que se puede hacer es convertir parte del calor en trabajo mecánico. La primera máquina térmica que lo consiguió fue la máquina de vapor, inventada alrededor del año 1700.
Una maquina térmica es cualquier dispositivo que transforma energía interna en trabajo mecánico. La idea fundamental tras el funcionamiento de una maquina térmica, ya sea una máquina de vapor, un motor de combustión interna o un motor de reacción, es que se puede obtener trabajo mecánico solo cuando fluye calor de una temperatura elevada a una temperatura baja. En cualquier maquina térmica hablamos de disposición. El calor fluye de un depósito a una temperatura alta hacia un depósito a una temperatura baja. Toda máquina térmica absorbe calor de un depósito a mayor temperatura y aumenta su energía interna, convierte parte de esta energía en trabajo mecánico y cede la energía restante en forma de calor a un depósito a menor temperatura que se conoce en general como sumidero de calor.
La segunda ley nos dice que no existe maquina térmica alguna capaz de convertir todo el calor suministrado en energía mecánica. Solo una fracción de calor se puede transformar en trabajo, y el esto se desecha.
Podemos enunciar la segunda ley aplicada a maquinas térmicas de la siguiente manera:
Cuando una máquina térmica que funciona entre dos temperaturas, TC y TF, realiza trabajo, solo una parte de la energía que suministra TC se puede convertir en trabajo. Y el resto se desecha en forma de calor a TF.
Antes de que se entendiese la segunda ley se pensaba que una maquina térmica con muy poco fricción podría transformar casi toda la energía suministrada en trabajo útil. Pero no es así. En 1824 el ingeniero francés Sadi Carnot analizo determinadamente los ciclos de comprensión y, expansión de una maquina térmica y llevo a acabo un descubrimiento fundamental. Carnot demostró que la fracción máxima de calor que se puede transformar en trabajo útil, aun en condiciones ideales, depende de las diferencias de temperatura entre el depósito caliente y el sumidero frio. Su ecuación proporciona la eficiencia ideal, o eficiencia de Carnot de una maquina térmica
La ecuación de Carnot establece el límite superior de eficiencia de toda máquina térmica. Cuando más alta es la temperatura de operación (en comparación de temperatura de escape) de una maquina térmica cualquiera, ya sea el motor de un automóvil ordinario, el de un barco que funciona con energía nuclear o el de un avión a reacción, mayor es la eficiencia de esta máquina. En la práctica hay fracción en todas las máquinas y la eficiencia es siempre inferior a la ideal. Así pues, mientras que la ineficiencia de muchos dispositivos se debe solamente a la fricción, en el caso de las maquinas térmicas el concepto dominante es la segunda ley de la termodinámica; solo una parte del calor suministrado se puede convertir en trabajo, incluso cuando no hay fricción.
El orden tiende al desorden
La primera leyde la termodinámica afirma que la energía no se puede crear ni destruir. La segunda ley añade que en toda transformación de energía una porción de la misma se degrada y se convierte en energía de desecho. La energía de desecho no está disponible y se pierde. Otra forma de decir esto es que la energía organizada se degrada a energía a desorganizada.
La energía de la gasolina es energía organizada y utilizable. Cuando se quema gasolina en el motor de un automóvil, una parte de su energía realiza trabajo útil, para mover los pistones, otra porción calienta el motor y el entorno, y la parte restante sale por el escape.
La energía útil se degrada a formas no útiles y no está disponible para usar de nuevo el mismo trabajo, como impulsar otro automóvil.
La energía organizada en forma de electricidad que alimenta los sistemas de iluminación eléctrica en nuestros hogares y edificios de oficinas se degrada a energía calorífica. Esta energía es una importante fuente de calor en muchos edificios de oficinas en las regiones de clima templado. la energía organizada tiende a adoptar formas desorganizadas. En este sentido más amplio, podemos enunciar la segunda ley de otra manera:
"los sistemas naturales tienden a avanzar hacia estados de mayor desorden".
Tercera ley de la termodinámica (entropía)
La idea de que la anergia ordenada tiende a transformarse en energía desordenada está contenida en el concepto de entropía. La entropía es la medida de la cantidad de desorden. Si el desorden aumenta, la entropía aumenta. La segunda ley estableces que en los procesos naturales la entropía aumenta siempre a la larga. Las moléculas de un gas que escapan de un frasco pasan de un estado relativamente ordenado a un estado desordenado. Con el tiempo, las estructuras organizadas se convierten en ruinas desorganizadas. Las cosas se echan a perder por si solas. Siempre que se permite que un sistema físico distribuya libremente su energía lo hace de tal modo que la entropía aumenta y la energía disponible en el sistema para realizar trabajo disminuye. En los sistemas físicos la entropía aumenta normalmente. Sin embargo, cuando se suministra trabajo en el sistema, como en el caso de los organismos vivos, la entropía disminuye.
Todo ser viviente, desde las bacterias y los arboles hasta los seres humanos, extrae energía de su entorno y la utiliza para incrementar sus propio grado de organización.
La entropía se puede expresar como una ecuación matemática que dice que el aumento de entropía, s , en un sistema termodinámico ideal es igual a la cantidad de calor suministrado al sistema, Q , dividida entre la temperatura, T, del sistema: S= Q/T.
Mi conclusión es que la Termodinámica es el estudio de las propiedades de sistemas de gran escala en equilibrio en las que la temperatura es una variable importante.
Varios términos que hemos usado aquí: sistemas, equilibrio y temperatura serán definidos rigurosamente más adelante, pero mientras tanto bastará con su significado habitual.
En la Termodinámica hay dos leyes básicas, y ambas se pueden enunciar de modo de negar la posibilidad de ciertos procesos.
La Primera Ley establece que es imposible un proceso cíclico en el cual una máquina produzca trabajo sin que tenga lugar otro efecto externo, es decir niega la posibilidad de lo que se suele llamar "máquina de movimiento perpetuo de primera especie".
La Segunda Ley no se puede enunciar de modo tan preciso como la primera sin una discusión previa. Sin embargo, hecha la salvedad que ciertas definiciones se deben dar todavía, podemos decir que la Segunda Ley establece que es imposible un proceso cíclico en el cual una máquina realice trabajo intercambiando calor con una única fuente térmica.
La Termodinámica se ocupa de estudiar procesos y propiedades macroscópicas de la materia y no contiene ninguna teoría de la materia.
HEWITT,PAUL G. física conceptual ADDISON WESLEY LONGMAN,mexico,1999 ISBN:968-444-208-7 Serie AWLI materia: física FORMATO:20 x 25.5 PAG.550.
Autor:
Mirel Ponce