TERMODINÁMICA

TERMODINÁMICA

El objeto de estudio de la termodinámica es la transformación de calor (energía) en trabajo (equivalente de energía) ; es decir, la transformación de un tipo de energía en otro. Es por ello que, históricamente  el establecimiento de la primera ley de la termodinámica esta ligado con los fracasos en la elaboración de una maquina o por efectuar un trabajo sin recibir ninguna cantidad de algún tipo de energía  nos referimos al móvil perpetuo de primera especie.

Hoy en día, la ley que describe cuantitavamente las transformaciones térmicas es llamada primera ley de la termodinámica  que no es mas que una extensión de la ley de la transformación y conservación de energía a los fenómenos térmicos. Por ejemplo, en nuestra practica que la energía mecánica se puede transformar en calor.

La termodinámica es un campo en el que se utiliza muchos terminos con significados especiales por lo que sera util familiarizarse con ellos desde un principio.

Sistema termodinámico

Se define como una cantidad de masa fija sobre la cual se enfoca la atención para su estudio. 

Sistema aislado

Es aquel sistema en el cual no existe influencia de medio exterior, esto quiere decir que ni calor ni trabajo cruzan los limites del sistema.

Sistema aislado térmicamente

Es aquel sistema en el que se excluye la transferencia de calor (no fluye calor hacia adentro ni hacia afuera del sistema), pero sí es posible que un trabajo sea realizado por o sobre el sistema aislado térmicamente.

Estado termodinámico

Para obtener trabajo a consta del calor hay que disponer de una sustancia activa mediante la cual se realiza el proceso de transformación del calor en trabajo, esta sustancia activa o de trabajo suele llamarse agente de transformación que, en nuestro caso, sera el gas ideal.

Para un gas ideal, el estado termodinámico es una situación especifica en un momento dado y se caracteriza por magnitudes que no toman en cuenta su estructura molecular. Estas magnitudes se denominan parámetros macroscópicos ( o termodinámicos) que principalmente son la presión, la temperatura y el volumen.

Estos parámetros termodinámicos en un gas ideal se relacionan con la ecuación de estado.  

                                        PV = nRT

Donde:    P: presion ; V: volumen ; n: numero de moles ; R: Constante universal de los gases y T: temperatura.

Transferencia de energía

La energía puede cruzar el límite de un sistema cerrado en dos formas distintas: el calor y trabajo. Si la energía que cruza el límite del sistema cerrado no es debido a la diferencia de temperaturas (calor) debe ser trabajo, por ejemplo un pistón ascendente, en eje giratorio, y un cable eléctrico que cruzan el límite del sistema son situaciones donde se transfiere energía realizando trabajo.

Entonces la primera ley de la termodinámica estará dado por:

Q = ΔU + W

aplicaciones:

- En la construccion de edificaciones, en especial de las estructuras metalicas se tiene que tomar en cuenta sus propiedades al dilatarse o contraerse con los cambios de temperatura del ambiente. 

-En el estudio de los cambios de fase de las diferentes sustancias. El estudio del rendimiento de las reacciones energéticas. 

-El estudio de la entalpia de reacciones químicas. 

-En la construcción de maquinas térmicas, por ejemplo : motores que funcionan con combustible, refrigeradoras, turbinas a vapor. etc. 

-El estudio de las propiedades térmicas de los sistemas (dilataciones, contracciones y cambios de fase)

 

TRANSFERENCIA DE CALOR

           TRANSFERENCIA DE CALOR

En física , la transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura . Cuando un cuerpo por ejemplo , un objetivo solido o un fluido , esta a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo , la transferencia de energía térmica , también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor , ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico . La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno mas frio , como resultado  de la segunda ley de la termodinámica . Cuando existe una diferencia de temperaturas entre dos objetos en proximidad uno del otro , la transferencia de calor no puede ser detenida ; solo puede ser mas lenta .

 

               APLICACIÓN

En un intercambiador de calor, energía térmica se transfiere de un

Cuerpo o corriente de fluido a otro. En el diseño de equipos de

Intercambio de calor, transferencia de calor se aplican para el cálculo

De esta transferencia de energía a fin de llevarlo a cabo de manera

Eficiente y en condiciones controladas. El equipo pasa por debajo de

Muchos nombres, tales como calderas, pasteurizadoras, sartenes con

Camisa, congeladores, calentadores de aire, cocinas, hornos, etc.

La aplicación de la general de transferencia de calor ecuación

Básica para el de la transferencia de calor Intercambiador de

Calor:

q = UA D T

 

FISICA I

TERMODINÁMICA

El objeto de estudio de la termodinámica es la transformación de calor (energía) en trabajo (equivalente de energía) ; es decir, la transformación de un tipo de energía en otro. Es por ello que, históricamente  el establecimiento de la primera ley de la termodinámica esta ligado con los fracasos en la elaboración de una maquina o por efectuar un trabajo sin recibir ninguna cantidad de algún tipo de energía  nos referimos al móvil perpetuo de primera especie.

Hoy en día, la ley que describe cuantitavamente las transformaciones térmicas es llamada primera ley de la termodinámica  que no es mas que una extensión de la ley de la transformación y conservación de energía a los fenómenos térmicos. Por ejemplo, en nuestra practica que la energía mecánica se puede transformar en calor.

La termodinámica es un campo en el que se utiliza muchos términos con significados especiales por lo que será útil familiarizarse con ellos desde un principio.

Sistema termodinámico

Se define como una cantidad de masa fija sobre la cual se enfoca la atención para su estudio. 

Sistema aislado

Es aquel sistema en el cual no existe influencia de medio exterior, esto quiere decir que ni calor ni trabajo cruzan los limites del sistema.

Sistema aislado térmicamente

Es aquel sistema en el que se excluye la transferencia de calor (no fluye calor hacia adentro ni hacia afuera del sistema), pero sí es posible que un trabajo sea realizado por o sobre el sistema aislado térmicamente.

Estado termodinámico

Para obtener trabajo a consta del calor hay que disponer de una sustancia activa mediante la cual se realiza el proceso de transformación del calor en trabajo, esta sustancia activa o de trabajo suele llamarse agente de transformación que, en nuestro caso, sera el gas ideal.

Para un gas ideal, el estado termodinámico es una situación especifica en un momento dado y se caracteriza por magnitudes que no toman en cuenta su estructura molecular. Estas magnitudes se denominan parámetros macroscópicos ( o termodinámicos) que principalmente son la presión, la temperatura y el volumen.

Estos parámetros termodinámicos en un gas ideal se relacionan con la ecuación de estado.  

                                        PV = nRT

Donde:    P: presion ; V: volumen ; n: numero de moles ; R: Constante universal de los gases y T: temperatura.

Transferencia de energía

La energía puede cruzar el límite de un sistema cerrado en dos formas distintas: el calor y trabajo. Si la energía que cruza el límite del sistema cerrado no es debido a la diferencia de temperaturas (calor) debe ser trabajo, por ejemplo un pistón ascendente, en eje giratorio, y un cable eléctrico que cruzan el límite del sistema son situaciones donde se transfiere energía realizando trabajo.

Entonces la primera ley de la termodinámica estará dado por:

Q = ΔU + W

aplicaciones:

- En la construccion de edificaciones, en especial de las estructuras metalicas se tiene que tomar en cuenta sus propiedades al dilatarse o contraerse con los cambios de temperatura del ambiente. 

-En el estudio de los cambios de fase de las diferentes sustancias. El estudio del rendimiento de las reacciones energéticas. 

-El estudio de la entalpia de reacciones químicas. 

-En la construcción de maquinas térmicas, por ejemplo : motores que funcionan con combustible, refrigeradoras, turbinas a vapor. etc. 

-El estudio de las propiedades térmicas de los sistemas (dilataciones, contracciones y cambios de fase)

 

                ley de los gases ideales

es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética). La energía cinética es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal. Los gases reales que más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura.

La principal característica de los gases respecto de los sólidos y los líquidos, es que no pueden verse ni tocarse, pero también se encuentran compuestos de átomos y moléculas.

La causa de la naturaleza del gas se encuentra en sus moléculas, muy separadas unas de otras y con movimientos aleatorios entre si. Al igual que ocurre con los otros dos estados de la materia, el gas también puede transformarse (en líquido) si se somete a temperaturas muy bajas. A este proceso se le denomina condensación.

La mayoría de los gases necesitan temperaturas muy bajas para lograr condensarse. Por ejemplo, en el caso del oxígeno la temperatura necesaria es de -183°C.

Aplicación

   

Para la preparación y llenado de los tanques de oxigeno, nitrógeno, hidrogeno, helio, argón, acetileno, neón, freón, metano, etano, propano, butano, etc. que se usan en la industria en general, y algunos en medicina.
En el agrietamiento del petróleo, en los hornos de secado de diferente clase, en las cámaras frigoríficas y cuartos fríos. En la criogenización. En la destilación de aceites esenciales para perfumería.
En la preparación de fideos y pastas en general. En la fase de esterilización de alimentos enlatados.
En la liofilización de medicamentos, tales como hormonas, vacunas, antibióticos, vitaminas.
En los reactores de síntesis orgánica. En el diseño y fabricación de plantas químicas para manufactura de síntesis orgánica. En maquinaria que trabaja con gases comprimidos.
En anestesiología.


 

DILATACIÓN LINEAL

La dilatación lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho, largo o altura del cuerpo.

Para estudiar este tipo de dilatación, imaginemos una barra metálica de longitud inicial L₀ y temperatura θ₀.

Si calentamos esa barra hasta que la misma sufra una variación de temperatura Δθ, notaremos que su longitud pasa a ser igual a L (conforme podemos ver en la siguiente figura):

Matemáticamente podemos decir que la dilatación es:

DILATACIÓN SUPERFICIAL

Es aquella en que predomina la variación en dos dimensiones, o sea, la variación del área del cuerpo

Para estudiar este tipo de dilatación, podemos imaginar una placa metálica de área inicial S₀ y temperatura inicial θ_0. Si la calentáramos hasta la temperatura final θ, su área pasará a tener un valor final igual a S.

DILATACIÓN VOLUMÉTRICA

Es aquella en que predomina la variación en tres dimensiones, o sea, la variación del volumen del cuerpo.
Para estudiar este tipo de dilatación, podemos imaginar un cubo metálico de volumen inicial V₀ y la temperatura inicial θ₀. Si lo calentamos hasta la temperatura final, su volumen pasará a tener un valor final igual a V.

 

 

 

 

                   Aplicaciones

La expansión  lineal de materiales es un cambio en la longitud de un material, ya sea su espesor, longitud de un lado,  diámetro, a causa de un cambio en la temperatura del material. Al haber cambio de temperatura  en nuestro sólido, este a su vez gana energía térmica haciendo que los átomos del sólido se distancien  cada vez más.

 

 

 

 



 

 

TERMOMETRIA

 

 

se encarga de la medición de la temperatura de cuerpos o sistemas. Para este fin, se utiliza el termómetro, que es un instrumento que se basa en el cambio de alguna propiedad de la materia debido al efecto del calor; así se tiene el termómetro de mercurio y de alcohol, que se basan en la dilatación, los termopares que deben su funcionamiento al cambio de la conductividad eléctrica, los ópticos que detectan la variación de la intensidad del rayo emitido cuando se refleja en un cuerpo caliente.

Para poder construir el termómetro se utiliza el Principio Cero de la Termodinámica que dice: "Si un sistema A que está en equilibrio térmico con un sistema B, está en equilibrio térmico también con un sistema C, entonces los tres sistemas A, B y C están en equilibrio térmico entre sí".

 

APLICACIONES

Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas, relativas y absolutas.

A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está limitada por diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la sensación correspondiente puede variar según se haya estado previamente en contacto con otros cuerpos más calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar con precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo de apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los termómetros.