Leyes de La Termodinamica Resumen

8/15/2019 Leyes de La Termodinamica Resumen

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FÍSICA II

LEYES DE LA TERMODINAMICA


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Sistema termodinámico

Un sistema termodinámico es cualquier conjunto de objetos que

conviene considerar como una unidad, y que podría intercambiar energía

con el entorno que lo rodea por transferencia de calor o mediantetrabajo mecánico.

El estado de un sistema termodinámico está caracterizado por un cierto

número de parámetros llamados variables termodinámicas tales como el

volumen, la temperatura, la presión, la cantidad de sustancia, etc.

Variables termodinámicas


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Primera ley de la termodinámica

Establece que el calor Q absorbido

por un sistema cerrado es la suma

del trabajo mecánico W efectuadopor el sistema y el cambio de la

energía interna DU del sistema, es

decir Q = W + DU. Asimismo el

calor Q liberado por un sistema

cerrado es la suma del trabajomecánico W efectuado sobre el

sistema y el cambio de la energía

interna DU del sistema. Esta ley esuna generalización del principio de

conservación de la energía que

incluye la energía interna y el calor.

La energía interna U de cualquier

sistema termodinámico depende

exclusivamente de su estado.


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Trabajo mecánico efectuado por o sobre un gas ideal

Si el sistema es un gas ideal que

cambia su volumen de V 1 a V 2, eltrabajo mecánico W en un diagrama

pV esta determinado por el área

bajo la curva, es decir W = dV .

La ecuación que describe la relación entre la presión, el volumen, la

temperatura y la cantidad de un gas ideal es: pV = nRT , donde p es la

presión, V es el volumen, n es la cantidad de sustancia, T es latemperatura absoluta y R es la constante de gases ideales cuyo valor es

8,314 J/(mol·K).

La energía interna de un gas ideal monoatómico es U = 3nRT/ 2 y de un

gas ideal diatomico es U = 5nRT/ 2.

Ecuación de estado de los gases ideales


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Tipos de procesos termodinámicos de un gas ideal

Proceso isocórico: el volumen V es

constante entonces W = 0.

Proceso isobárico: la presión p es

constante entonces W = p DV .

Proceso isotérmico: la temperatura T es

constante entonces U es constante, DU = 0y pV es constante

Q = W = nRT Ln(V 2/V 1).

Proceso adiabático: no entra calor al

sistema ni sale de él (Q = 0) entonces pV g

es constante donde g es la razón de las

capacidades caloríficas molares a presión

constante C p y volumen constante C v , es

decir g = C p/C v . Para un gas monoatómico

g = 5/3 y para un gas diatomico g = 7/5

−∆== − 22

− 1


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Procesos reversibles e irreversibles

Un proceso reversible es uno cuya dirección puede revertirse con un

cambio infinitesimal en las condiciones del proceso, y en el cual el

sistema siempre está en equilibrio térmico o muy cerca de él. Todos losdemás procesos termodinámicos son irreversibles. En la figura se

muestra en (a) un proceso irreversible y en (b) un proceso reversible.


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Maquinas térmicas

Una máquina térmica toma calor

QH de una fuente caliente,

convierte parte de él en trabajo Wy desecha o expulsa el resto |QC | a

una fuente fría. La eficiencia

térmica e de una máquina térmica

mide qué tanto del calor absorbido

se convierte en trabajo, es decire = W /QH.

En la figura se muestra el diagrama

de flujo de energía para una

máquina térmica.

Como W = QH ̶ |QC |entonces alreemplazarlo en e = W /QH se

obtiene e = 1 ̶ |QC | /QH.


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Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica

describe la direccionalidad de los

procesos termodinámicos naturalesy puede plantearse de varias

formas equivalentes:

El calor únicamente fluye de

manera espontánea desde los

objetos más calientes hacia los másfríos.

Ningún proceso cíclico puede

convertir calor totalmente en

trabajo. En la figura es imposible

convertir el calor D totalmente entrabajo W .


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Ciclo de Carnot

Carnot demostró que la máquina

térmica más eficiente es aquella que

funciona entre dos temperaturas T H y T C , de acuerdo a un proceso cíclico

de cuatro pasos denominado ciclo

de Carnot el cual es mostrado en la

siguiente figura. Se puede demostrar

que la eficiencia de una maquina deCarnot es e = 1 ̶ T C/T H.

Otro planteamiento equivalente de

la segunda ley es que ninguna

máquina que opere entre dos

temperaturas dadas puede ser máseficiente que una máquina de Carnot

que opera entre las mismas

temperaturas.

HC

C C

1: Expansión isotérmica2: Expansión adiabática

3: Compresión isotérmica

4: Compresión adiabática


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Ciclo de Carnot

Carnot demostró que la máquina

térmica más eficiente es aquella que

funciona entre dos temperaturas T H y T C , de acuerdo a un proceso cíclico

de cuatro pasos denominado ciclo

de Carnot el cual es mostrado en la

siguiente figura. Se puede demostrar

que la eficiencia de una maquina deCarnot es e = 1 ̶ T C/T H.

Otro planteamiento equivalente de

la segunda ley es que ninguna

máquina que opere entre dos

temperaturas dadas puede ser máseficiente que una máquina de Carnot

que opera entre las mismas

temperaturas.

HC

C

1: Expansión isotérmica2: Expansión adiabática

3: Compresión isotérmica

4: Compresión adiabática


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Entropía

La entropía es una medida cuantitativa del desorden de un sistema.En un proceso reversible desde un estado 1 hasta un estado 2 se cumple

∆ = 2

Si el proceso reversible es adiabático, no entra ni sale calor del sistema.

Por lo tanto, Q = 0 y la entropía no cambia.

En un proceso irreversible desde un estado 1 hasta un estado 2 secumple

∆ > 2

Un planteamiento importante de la segunda ley de la termodinámica es

que la entropía de un sistema aislado puede aumentar pero nuncadisminuir. Si un sistema interactúa con su entorno, el cambio total de

entropía del sistema y el entorno nunca puede ser negativo. Si la

interacción implica sólo procesos reversibles, la entropía total es

constante; si hay procesos irreversibles, la entropía total aumenta.

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