Del estudio de la mecánica conocemos, que cuando un objeto se mueve de un punto inicial a otro final , en un campo gravitacional en ausencia de fricción, el trabajo hecho depende solo de las posiciones de los puntos inicial y final y no, de la trayectoria por la que el cuerpo se mueve. De esto concluimos que hay una energía potencial, función de las coordenadas espaciales del cuerpo, cuyo valor final menos su valor inicial, es igual al trabajo hecho al desplazar el cuerpo. Ahora, en la termodinámica, encontramos experimentalmente, que cuando en un sistema ha cambiado su estado, la cantidad de energía depende solo de las coordenadas inicial y final y no, en absoluto, del camino tomado entre estos puntos extremos. Concluimos que hay una función de las coordenadas termodinámicas, cuyo valor final, menos su valor inicial es igual al cambio en el proceso. A esta función le llamamos FUNCION DE LA ENERGIA INTERNA.
Representemos la función de la energía interna por la letra U . Entonces la energía interna del sistema en el estado f, Uf , es solo el cambio de energía interna del sistema, y esta cantidad tiene un valor determinado independientemente de la forma en que el sistema pasa del estado i al estado f: Tenemos entonces que:
Como sucede para la energía potencial, también para la energía interna, lo que importa es su cambio. Si se escoge un valor arbitrario para la energía interna en un sistema patrón de referencia, su valor en cualquier otro estado puede recibir un valor determinado. Esta ecuación se conoce como la Primera Ley de la Termodinámica al aplicarla debemos recordar que Q se considera positiva cuando el calor entra al sistema y que W será positivo cuando el trabajo lo hace el sistema.
A la función interna U, se puede ver como muy abstracta en este momento. En realidad, la TERMODINAMICA clásica no ofrece una explicación para ella, además que es una función de estado que cambia en una forma predecible. ( Por función del estado, queremos decir, que exactamente, su valor depende solo del estado físico del material: su constitución, presión, temperatura y volumen) La primera ley de la termodinámica, se convierte entonces en un enunciado de la ley de la conservación de la energía para los sistemas termodinámicos. La energía total de un sistema de partículas, U cambia en una cantidad exactamente igual a la cantidad que se le agrega al sistema, menos la cantidad que se le quita.
Podemos expresar la primera ley en palabras diciendo: Todo sistema termodinámico en un estado de equilibrio , tiene una variable de estado llamada energía interna U cuyo cambio dU en un proceso diferencial está dado por la ecuación.
La primera ley de la termodinámica se aplica a todo proceso de la naturaleza que parte de un estado de equilibrio y termina en otro. Decimos que si un sistema esta en estado de equilibrio cuando podemos describirlo por medio de un grupo apropiado de parámetros constantes del sistema como presión, volumen temperatura, campo magnético y otros la primera ley sigue verificándose si los estados por los que pasa el sistema de un estado inicial (equilibrio), a su estado final (equilibrio), no son ellos mismos estados de equilibrio. Por ejemplo podemos aplicar la ley de la termodinámica a la explosión de un cohete en un tambor de acero cerrado.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Esta ley experimental axiomática nos permite analizar cualitativamente los proceso o transformaciones de la energía; esta ley servirá para definir la posibilidad de realización de un proceso termodinámico y sus limitaciones físicas reales. La segunda ley de la termodinámica será determinante para afirmar la validez de un proceso termodinámico cualquiera y la importancia de producir un trabajo efectivo . ES IMPOSIBLE CONSTRUIR UNA MÁQUINA QUE OPERANDO EN CICLOS TRANSFORME TODO EL CALOR QUE SE LE SUMINISTRA EN TRABAJO MECÁNICO ÚTIL.
MAQUINAS TERMICAS Es aquel dispositivo que para su operación continua requiere de una fuente y un sumidero, la maquina térmica es el dispositivo mecánico que se encarga de transformar la energía calorífica que se le transfiere en energía mecánica. Ejemplo: Los motores de combustión interna (petróleo, gasolina) las turbinas a vapor, los turbo compresores. Un ejemplo típico de maquinas térmicas lo constituye la planta de generación de vapor.
caldera Turbina condensador bomba Ws Qb Qa T°c We B
DONDE: Qa: cantidad de calor suministrado al vapor en la caldera de una fuente de alta temperatura Qb: cantidad de calor liberado del vapor en el condensador en un sumidero de baja temperatura WS: cantidad de trabajo entregado por el vapor cuando se expande en la turbina We: cantidad de trabajo requerido para comprimir el agua a la presión de la caldera.
Descripcion El vapor procedente del caldero se expande adiabáticamente en la turbina desarrollando trabajo ,hasta una presión mucho menor. En el condensador el vapor disipa calor a transformarse en liquido Puesto que la presión en este es mucho menor que la presión en el caldero ,una bomba incrementa la presión del liquido para introducirlo a este requiriéndose un trabajo negativo para ello. Mediante la adición de calor en el caldero el liquido se vaporiza y va nuevamente ala turbina completándose así el ciclo termodinámico mostrado. La máquina térmica (TURBINA) tiene por objetivo transformar el calor en trabajo y también se le denomina maquina de potencia y a su ciclo ciclo de potencia
MÁQUINA TÉRMICA
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