Qu es la Termodinmica La termodinmica es una

¿Qué es la Termodinámica? • • La termodinámica es una rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el trabajo y el calor. Se ocupa de las propiedades macroscópicas de la materia, especialmente las que son afectadas por el calor y la temperatura, así como de la transformación de unas formas de energía en otras. Es importante saber que la termodinámica estudia los sistemas que se encuentran en equilibrio. Esto significa que la presión, temperatura, volumen y la masa, que se conocen como variables termodinámicas, son constantes.

• • • Relación entre trabajo y calor Tanto el calor como el trabajo son modos en que los cuerpos y los sistemas transforman su energía. Esto permite establecer un equivalente mecánico del calor. Ejemplo: De trabajo mecánico a calor: Frota dos bloques de hielo, y comprobarás que se derriten, aún cuando estés en una cámara frigorífica a una temperatura menor de 0 ºC. De calor a trabajo mecánico: En una máquina de vapor, la expansión del vapor de agua que se calienta produce el desplazamiento del pistón. Trabajo y calor son métodos de transferencia de energía. Utilizan la misma unidad de medida en el Sistema Internacional, el julio (J). Además, es habitual utilizar la caloría (cal) para medir el calor. La conversión entre calorías y julios viene dada por: 1 cal = 4. 184 J ⇔ 1 J = 0. 24 cal Esta relación entre trabajo y calor, que hoy vemos de manera clara, no lo fue hasta el S. XIX. El estudio del trabajo y del calor eran disciplinas separadas: la mecánica y la termología respectivamente. Así también las unidades en que se medían cada uno, julio y caloría. A mediados del S. XIX el científico inglés James Prescott Joule diseñó un dispositivo capaz de medir el equivalente mecánico del calor, logrando la equivalencia anterior

Experimento de Joule • Joule ideó una máquina conformada por una pesa unida a unas aspas por medio de un sistema de poleas, que se encuentran sumergidas en un recipiente de vidrio lleno de agua. Cuando se deja caer la pesa desde la posición A hasta B, tal y como se muestra en la figura, esta pierde su energía potencial invirtiéndose en girar las aspas dentro del líquido. La fricción de las aspas con el agua provoca un aumento de la temperatura del mismo. A partir de los resultados obtenidos con esta máquina se obtuvo la equivalencia 1 cal = 4. 184 J ⇔ 1 J = 0. 24 cal

¿Qué estudia la termodinámica? • La termodinámica es la parte de la física que estudia las transferencias de calor, la conversión de la energía y la capacidad de los sistemas para producir trabajo. Las leyes de la termodinámica explican los comportamientos globales de los sistemas macroscópicos en situaciones de equilibrio. Tiene las siguientes características: 1. Se aplica al estudio de sistemas que contienen muchas partículas y no al estudio de moléculas, átomos o partículas subatómicas 2. Estudia el sistema en situaciones de equilibrio, que son aquellas a las que sistema tiende a evolucionar y caracterizadas porque en ellas todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas 3. Sus postulados son indemostrables, están basados en las experiencias y no en razonamientos teóricos

Componentes de un sistema termodinámico • Sistema • • El sistema es la parte del universo que vamos a estudiar. Por ejemplo, un gas, nuestro cuerpo o la atmósfera son ejemplos de sistemas que podemos estudiar desde el punto de vista termodinámica. Los sistemas se clasifican en:

Componentes de un sistema termodinámico • Entorno o ambiente • Todo aquello que no es sistema y que se sitúa alrededor de él, se denomina ambiente o entorno. Los sistemas interaccionan con el entorno transfiriendo masa, energía o las dos cosas. • Frontera o paredes del sistema • • • A través de ellas se comunica el sistema con el entorno. Existen los siguientes tipos: Fijas: Mantienen el volumen constante Móviles: El volumen es variable y depende de la presión en el lado del sistema y. de la del entorno Conductoras o diatérmanas: Al conducir calor permiten que la temperatura a. . ambos lados de la misma sea igual Adiabáticas: No conducen calor. Son los aislantes térmicos

• Variables y ecuación de estado

Variables y ecuación de estado • • Variables Intensivas: Son aquellas que no dependen del tamaño del sistema. Por ejemplo la presión, la temperatura, la concentración o la densidad. Variables Extensivas: Son aquellas que dependen del tamaño del sistema. Por ejemplo el volumen, la masa o la energía. • EJEMPLO: • Determina la variación de volumen que experimentan 40 g de oxígeno O 2 a presión de 1 atm cuando su temperatura pasa de 25 ºC a 50 ºC. • • • Datos m = 40 g p = 1 atm Ti = 25 ºC = 298. 15 K Tf = 50 ºC = 323. 15 K Solución

Criterio de signos en termodinámica • Existen dos criterios de signos en termodinámica para relacionar el trabajo y el calor que intercambia un sistema con el entorno: • Criterio de la IUPAC: Se considera positivo todo lo que aumenta la energía del sistema, es decir, calor recibido y trabajo recibido

Criterio de signos en termodinámica • Criterio Tradicional: Se considera positivo el calor recibido por el sistema y el trabajo que realiza el sistema sobre el entorno. Este criterio es útil en el estudio de máquinas térmicas en el que interesa que el trabajo realizado por las máquinas sea positivo

Criterio de signos en termodinámica • Ejemplo: • Establece, de acuerdo a los dos criterios de signos estudiados, el signo para el calor y el trabajo en los siguientes sistemas termodinámicos: 1. Una lámina de metal a 80 ºC se introduce en un recipiente con agua a -10 º (el sistema es la lámina de metal). 2. Una cinta elástica es estirada bruscamente. 3. Utilizamos el gas de una botella a presión para inflar un neumático con paredes aislantes (el sistema es el gas).

Leyes de la termodinámica • • • Ley Cero de la Termodinámica o de equilibrio térmico. • Primera Ley de la Termodinámica o principio de conservación de la energía. Segunda Ley de la Termodinámica. Tercera Ley de la Termodinámica.

Leyes de la termodinámica • Ley Cero de la Termodinámica o de equilibrio térmico: • • • El equilibrio térmico se entiende como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura. Esta ley dice que “si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico con un tercero C, A y B también están en equilibrio térmico entre si". En palabras simples: Si se pone un objeto con cierta temperatura en contacto con otro a una temperatura distinta, ambos intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan.

Leyes de la termodinámica • Primera Ley de la Termodinámica o principio de conservación de la energía: • La primera ley de la termodinámica relaciona el trabajo y el calor transferido, intercambiado en un sistema a través de una nueva variable termodinámica, la energía interna. Dicha energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. • Señala que, si un sistema hace un intercambio de calor con otro, su propia energía interna se transformará. El calor, en este sentido, constituye la energía que un sistema tiene que permutar si necesita compensar los contrastes surgidos al comparar el esfuerzo y la energía interior. ∆E = Energía interna del sistema. Q = Calor intercambiado por el sistema a través de unas paredes bien definidas. W = Es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores.

Energía interna • ∆U : Incremento de energía interna del gas. m : Masa. cv : Calor específico a volumen constante. ∆T : Variación de temperatura.

Ejemplo • Determina la variación de energía interna que experimentan 10 g de gas cuya temperatura pasa de 34 ºC a 60 ºC en un proceso a volumen constante sabiendo que su calor específico viene dado por cv = 0. 155 cal/g·ºC. • • • Datos m = 10 g cv = 0. 155 cal/g·ºC Ti = 34 ºC Tf = 60 ºC Solución ΔU = m⋅cv⋅ΔT = m⋅cv⋅(Tf−Ti) = 10⋅0. 155⋅26 = 40. 3 cal= 168. 61 J

Leyes de la termodinámica • Segunda Ley de la Termodinámica: • • El segundo principio de la termodinámica establece que, si bien todo el trabajo mecánico puede transformarse en calor, no todo el calor puede transformarse en trabajo mecánico. Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico. La segunda ley de la termodinámica se expresa en varias formulaciones equivalentes: Enunciado de Kelvin - Planck No es posible un proceso que convierta todo el calor absorbido en trabajo. Enunciado de Clausius No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un cuerpo frío a otro más caliente.

Leyes de la termodinámica • Segunda Ley: Motores Térmicos por Kelvin-Planck • • Segunda ley de termodinámica: es imposible extraer una cantidad de calor QH de un foco caliente, y usarla toda ella para producir trabajo. Alguna cantidad de calor QC debe ser expulsada a un foco frío. Esto se opone a un motor térmico perfecto. A veces se denomina la "primera forma" de la segunda ley, y es conocida como el enunciado de la segunda ley de Kelvin-Planck.

Leyes de la termodinámica • Segunda Ley: El Refrigerador por Clausius • • Segunda ley de la termodinámica: No es posible que el calor fluya desde un cuerpo frío hacia un cuerpo mas caliente, sin necesidad de producir ningún trabajo que genere este flujo. La energía no fluye espontáneamente desde un objeto a baja temperatura, hacia otro objeto a mas alta temperatura. Esto se opone al perfecto refrigerador. Las declaraciones sobre los refrigeradores, se aplican a los acondicionadores de aire y a las bombas de calor, que encarnan los mismos principios. Esta es la "segunda forma", o la declaración de Clausius de la segunda ley.

Leyes de la termodinámica • Segunda Ley: Entropía • Segunda ley de la termodinámica: en cualquier proceso cíclico, la entropía aumentará, o permanecerá igual. • Puesto que la entropía da información sobre la evolución en el tiempo de un sistema aislado, se dice que nos da la dirección de la "flecha del tiempo". Si las instantáneas de un sistema en dos momentos diferentes, muestran uno que está más desordenado, entonces se puede deducir que estado se produjo mas tarde en el tiempo que el otro. En un sistema aislado, el curso natural de los acontecimientos, lleva al sistema a un mayor desorden (entropía más alta) de su estado.

Leyes de la termodinámica • Tercera ley de la termodinámica o Postulado de Nernst • • Esta ley establece que es imposible conseguir el cero absoluto de la temperatura(0 ° Kelvin), cuyo valor es igual a - 273. 15°C. Al llegar al cero absoluto, 0 K, cualquier proceso de un sistema físico se detiene. Al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y constante. Ya que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. A medida que el sistema se acerca al cero absoluto, el intercambio calórico es cada vez menor hasta llegar a ser casi nulo. Ya que el flujo espontáneo de calor es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a los de temperatura más baja (Segunda ley), sería necesario un cuerpo con menor temperatura que el cero absoluto; y esto es imposible.

Gases

Propiedades de los gases • • 1. 2. 3. 4. El estado gaseoso es un estado disperso de la materia, es decir , que las moléculas del gas están separadas unas de otras por distancias mucho mayores del tamaño del diámetro real de las moléculas. Resuelta entonces, que el volumen ocupado por el gas (V) depende de la presión (P) , la temperatura (T) y de la cantidad o numero de moles ( n). Las propiedades de la materia en estado gaseoso son: Se adaptan a la forma y el volumen del recipiente que los contiene. Un gas, al cambiar de recipiente, se expande o se comprime, de manera que ocupa todo el volumen y toma la forma de su nuevo recipiente. Se dejan comprimir fácilmente. Al existir espacios intermoleculares, las moléculas se pueden acercar unas a otras reduciendo su volumen, cuando aplicamos una presión. Se difunden fácilmente. Al no existir fuerza de atracción intermolecular entre sus partículas, los gases se esparcen en forma espontánea. Se dilatan, la energía cinética promedio de sus moléculas es directamente proporcional a la temperatura aplicada.

Variables que afectan el comportamiento de los gases • • PRESIÓN: Es la fuerza ejercida por unidad de área. En los gases esta fuerza actúa en forma uniforme sobre todas las partes del recipiente. La presión atmosférica es la fuerza ejercida por la atmósfera sobre los cuerpos que están en la superficie terrestre. Se origina del peso del aire que la forma. Mientras más alto se halle un cuerpo menos aire hay por encima de él, por consiguiente la presión sobre él será menor. TEMPERATURA: Es una medida de la intensidad del calor, y el calor a su vez es una forma de energía que podemos medir en unidades de calorías. Cuando un cuerpo caliente se coloca en contacto con uno frío, el calor fluye del cuerpo caliente al cuerpo frío. La temperatura de un gas es proporcional a la energía cinética media de las moléculas del gas. A mayor energía cinética mayor temperatura y viceversa. La temperatura de los gases se expresa en grados kelvin. CANTIDAD: La cantidad de un gas se puede medir en unidades de masa, usualmente en gramos. De acuerdo con el sistema de unidades SI, la cantidad también se expresa mediante el número de moles de sustancia, esta puede calcularse dividiendo el peso del gas por su peso molecular. VOLUMEN: Es el espacio ocupado por un cuerpo. DENSIDAD: Es la relación que se establece entre el peso molecular en gramos de un gas y su volumen molar en litros.

Concepto de Gas Ideal y diferencia entre Gas Ideal y Real. • • • Los gases reales son los que en condiciones ordinarias de temperatura y presión se comportan como gases ideales; pero si la temperatura es muy baja o la presión muy alta, las propiedades de los gases reales se desvían en forma considerable de las de gases ideales Los Gases que se ajusten a estas suposiciones se llaman gases ideales y aquellas que no se les llama gases reales, o sea, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros. 1. - Un gas esta formado por partículas llamadas moléculas. Dependiendo del gas, cada molécula esta formada por un átomo o un grupo de átomos. Si el gas es un elemento o un compuesto en su estado estable, consideramos que todas sus moléculas son idénticas. 2. - Las moléculas se encuentran animadas de movimiento aleatorio y obedecen las leyes de Newton del movimiento. Las moléculas se mueven en todas direcciones y a velocidades diferentes. Al calcular las propiedades del movimiento suponemos que la mecánica newtoniana se puede aplicar en el nivel microscópico. Como para todas nuestras suposiciones, esta mantendrá o desechara, dependiendo de sí los hechos experimentales indican o no que nuestras predicciones son correctas. 3. - El numero total de moléculas es grande. La dirección y la rapidez del movimiento de cualquiera de las moléculas puede cambiar bruscamente en los choques con las paredes o con otras moléculas. Cualquiera de las moléculas en particular, seguirá una trayectoria de zigzag, debido a dichos choques. Sin embargo, como hay muchas moléculas, suponemos que el gran numero de choques resultante mantiene una distribución total de las velocidades moleculares con un movimiento promedio aleatorio.

Concepto de Gas Ideal y diferencia entre Gas Ideal y Real. • • • 4. - El volumen de las moléculas es una fracción despreciablemente pequeña del volumen ocupado por el gas. Aunque hay muchas moléculas, son extremadamente pequeñas. Sabemos que el volumen ocupado por una gas se puede cambiar en un margen muy amplio, con poca dificultad y que, cuando un gas se condensa, el volumen ocupado por el gas comprimido hasta dejarlo en forma líquida puede ser miles de veces menor. Por ejemplo, un gas natural puede licuarse y reducir en 600 veces su volumen. 5. - No actúan fuerzas apreciables sobre las moléculas, excepto durante los choques. En el grado de que esto sea cierto, una molécula se moverá con velocidad uniformemente los choques. Como hemos supuesto que las moléculas sean tan pequeñas, la distancia media entre ellas es grande en comparación con el tamaño de una de las moléculas. De aquí que supongamos que el alcance de las fuerzas moleculares es comparable al tamaño molecular. 6. - Los choques son elásticos y de duración despreciable. En los choques entre las moléculas con las paredes del recipiente se conserva el ímpetu y (suponemos)la energía cinética. Debido a que el tiempo de choque es despreciable comparado con el tiempo que transcurre entre el choque de moléculas, la energía cinética que se convierte en energía potencial durante el choque, queda disponible de nuevo como energía cinética, después de un tiempo tan corto, que podemos ignorar este cambio por completo.

Leyes de los gases • • • Eventos físicos que alteran el comportamiento de los gases y que son: Temperatura (T): Ejerce gran influencia sobre el estado de las moléculas de un gas aumentando o disminuyendo la velocidad de las mismas. Para trabajar con nuestras fórmulas siempre expresaremos la temperatura en grados Kelvin. Cuando la escala usada esté en grados Celsius, debemos hacer la conversión, sabiendo que 0º C equivale a 273, 15 º Kelvin. Presión (P): Se define como la relación que existe entre una fuerza (F) y la superficie (S) sobre la que se aplica, y se calcula con la fórmula

Leyes de los gases • • Volumen: Recordemos que volumen es todo el espacio ocupado por algún tipo de materia. En el caso de los gases, estos ocupan todo el volumen disponible del recipiente que los contiene. Hay muchas unidades para medir el volumen, pero en nuestras fórmulas usaremos el litro (L) Cantidad de gas: Otro parámetro que debe considerarse al estudiar el comportamiento de los gases tiene que ver con la cantidad de un gas la cual se relaciona con el número total de moléculas que la componen. Para medir la cantidad de un gas usamos como unidad de medida el mol. • 1 mol de (moléculas o átomos) = 6, 022 • 10 23

Ley de Avogadro • • Esta ley relaciona la cantidad de gas (n, en moles) con su volumen en litros (L), considerando que la presión y la temperatura permanecen constantes. El enunciado de la ley dice que: El volumen de un gas es directamente proporcional a la cantidad del mismo. Esto significa que: Si aumentamos la cantidad de gas, aumentará el volumen del mismo. Si disminuimos la cantidad de gas, disminuirá el volumen del mismo. Podemos expresarlo con la siguiente fórmula:

Gráfico

Aplicando la ley de Avogadro • Tenemos 3, 50 L de un gas que, sabemos, corresponde a 0, 875 mol. Inyectamos gas al recipiente hasta llegar a 1, 40 mol, ¿cuál será el nuevo volumen del gas? (la temperatura y la presión las mantenemos constantes). • • • Datos: V 1: 3, 50 L N 1: 0. 875 mol V 2: ? N 2: 1, 40 mol Solución L

Ley de boyle • • • La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante. Si la presión disminuye, el volumen aumenta. Si la presión aumenta, el volumen disminuye.

Gráfico

¿Por qué ocurre esto? •

Aplicando la ley de boyle • Un tanque contiene 200 litros de aire y soporta una presión de 1 atm. ¿Cuál será el volumen si la presión varía a 2 atm? • Datos: • V 1: 200 L • P 1: 1 atm • P 2: 2 atm • V 2: ?

Ley de Gay-Lussac •

Gráfico

¿Por qué ocurre esto? •

Aplicando la ley de Gay. Lussac • Un gas ideal se encuentra en un recipiente cerrado de volumen constante, a la presión de 2 atmosferas y 75°C de temperatura. ¿Cuál sería su nueva presión si la temperatura bajo a 50°C? • Datos: • T 1: 75°C 348 Kelvin • T 2: 50°C 323 Kelvin • P 1: 2 atm • P 2: ?

Ley de Charles •

Gráfico

¿Por qué ocurre esto? •

Aplicando la ley de Charles • Un gas ideal ocupa un volumen de 1, 28 litros a 25°C, si aumentamos la temperatura a 50°C ¿Cuál es el nuevo volumen si la presión permanece constante? • • • Datos: T 1: 25°C 298 Kelvin T 2: 50°C 323 Kelvin V 1: 1, 28 Litros V 2: ?

Resumen

Constante de Planck • La constante de Planck es la relación entre la cantidad de energía y de frecuencia asociadas a un cuanto o a una partícula elemental. Es una constante física que desempeña un papel central en la teoría de la mecánica cuántica y recibe su nombre de su descubridor, Max Planck, uno de los padres de dicha teoría. La constante de Planck (representada por la letra h) relaciona la energía (E) de los fotones con la frecuencia (ν)de la onda lumínica (letra griega nu) según la fórmula:

Constante de Planck • • • En el año 1901, el físico alemán Max Planck afirmó que sólo era posible describir la radiación del cuerpo negro con una fórmula matemática que correspondiera con las medidas experimentales, si se aceptaba la suposición de que la materia sólo puede tener estados de energía discretos y no continuos. Esto quiere decir que ciertas propiedades físicas sólo toman valores múltiplos de valores fijos en vez de un espectro continuo de valores. La idea era que la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro se podía modelar como una serie de osciladores armónicos con una energía cuántica. Relacionando la energía (E) de los fotones de la radiación, con su frecuencia y con su momento angular, se obtiene:

Constante de Planck • Este modelo se mostró muy exacto y desde entonces se denomina ley de Planck y significa que el universo es cuántico y no continuo. A nivel macroscópico no parece ser así, pues el valor de la constante de Planck es tan pequeño que el efecto de esta "cuantización" de los valores de la energía de cualquier sistema aparentemente varían de forma continua. • La constante de Planck es uno de los números más importantes del universo y ha dado lugar a que la mecánica cuántica ha sustituido a la física tradicional. La constante de Planck aparece igualmente dentro del enunciado del principio de incertidumbre de Heisenberg.

EJEMPLOS DE LA LEY DE PLANCK 1. La aplicación de la Ley de Planck al Sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99% de la radiación emitida está entre las longitudes de onda 0, 15 μm (micrómetros o micras) y 4 micras y su máximo (Ley de Wien) ocurre a 0, 475 micras. Como 1 nanómetro 1 nm = 10 -9 m=10 -4 micras resulta que el Sol emite en un rango de 150 nm hasta 4000 nm y el máximo ocurre a 475 nm. La luz visible se extiende desde 400 nm a 740 nm. La radiación ultravioleta u ondas cortas iría desde los 150 nm a los 400 nm y la radiación infrarroja u ondas largas desde las 0, 74 micras a 4 micras. 2. La aplicación de la Ley de Planck a la Tierra con una temperatura superficial de unos 288 K (15 °C) nos lleva a que el 99% de la radiación emitida está entre las longitudes de onda 3 μm (micrómetros o micras) y 80 micras y su máximo ocurre a 10 micras. La estratosfera de la Tierra con una temperatura entre 210 y 220 K radia entre 4 y 120 micras con un máximo a las 14, 5 micras.

Masa molecular, cte. R y densidad de algunos gases

Masa molecular, cte. R y densidad de algunos gases

• • • Bibliografía http: //www. educaplus. org/gases/ley_boyle. html http: //www. educaplus. org/gases/ley_gaylussac. html http: //www. educaplus. org/gases/ley_charles. html https: //www. fisicalab. com/apartado/termodinamicaconcepto#contenidos http: //hyperphysics. phy-astr. gsu. edu/hbasees/thermo/seclaw. html http: //astrojem. com/teorias/constantedeplanck. html http: //www. profesorenlinea. cl/fisica/Gases. Leyes. htm http: //apuntesingenieriaelectrica. blogspot. cl/2013/11/masa-molecularconstante-r-y-densidad. html https: //www. google. cl/search? ei=lzvx. Wb. XWF 8 elwg. SP 5 Je. ACA&q=ga ses+f%C 3%ADsica&oq=gases+&gs_l=psyab. 1. 0. 35 i 39 k 1 j 0 i 67 k 1 l 8 j 0. 57521. 58588. 0. 64380. 6. 6. 0. 0. 108. 514. 2 j 3. 5. 0. . . 1. 1. 64. psy-ab. . 1. 5. 512. . . 0 i 131 k 1. 0. Rt. YWsw 0 Mqs. A https: //quimica-ingenieriaenergia. wikispaces. com/PLANK

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