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LEYES DE LA TERMODINÁMICA Y SUS APLICACIONES

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INTRODUCCION
Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles, como la energía mecánica y eléctrica.
2. Trabajo hecho durante una expansión isotérmica
3. Agua Hirviendo
EJERCICIOS
LEYES DE LA TERMODINÁMICA
1. eficiencia de una máquina

encuentre la eficiencía de una máquina que introduce 2000 Julios de calor durante la fase de combustión, y pierde 1500 Julios en el escape.
LEYES DE LA TERMODINÁMICA Y SUS APLICACIONES
para los fenómenos térmicos es necesaria una definición cuidadosa de los conceptos de temperatura, calor y energía interna.

Las leyes de la termodinámica nos brindan una relación entre flujo de calor, trabajo y la energía interna de un sistema.

Ciertas sustancias pueden fundirse, hervir, quemarse o hacer explosión, dependiendo de su composición y estructura.

El equilibrio térmico es una situación en la que dos objetos en contacto térmico uno con otro dejan de tener cualquier intercambio de calor.
LEY CERO DE LA TERMODINAMICA
"dos sistemas en equilibrio térmico con un
tercero, están en equilibrio térmico entre si"
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La primer ley de la termodinámica, es una generalización conocida como ley de la conservación de la energía e incluye los cambios posibles de la energía interna.
ECUACUÓN DE LA PRIMERA LEY
supongamos que un sistema termodinámico experimenta un cambio de un estado inicial a un estado final. Durante este cambio,
Q
positiva es la
energía térmica
tranferida al sistema y
W
positiva es el
trabajo
efectuado por el sistema.
La cantidad Q-W determina por completo los estados inicial y final del sistema, y a dicha cantidad Q-W le damos el nombre de
cambio de la energía en el sistema
.
Si representamos la función energía con la letra U, entonces el cambio en la energía ∆U=Uf-Ui, puede expresarse así:
APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY
Con el fin de aplicar la primera Ley de la terodinámica en sistemas específicos, es útil definir primero algunos procesos termodinámicos comunes. un proceso
adiabático
es uno durante el cual no entra ni sale energía térmica del sistema, es decir Q=0. Se puede tener un sistema adiabático aislando térmicamente el sistema de sus alrededores o efectuando rapidamente el proceso, al aplicar la primera ley de la termodinámica a un proceso adiabático tenemos que ∆U=-W.
Podemos ver que si un gas se expande adiabátcamente, W es positiva por lo que ∆U es negativa y la temperatura del gas disminuye. En proceso inverso, la temperatura del gas aumenta cuando éste se comprime adiabáticamente.

Los procesos adiabáticos son muy importantes en la práctica de la ingeniería. Algunos ejemplos comunes incluyen la expansión de gases calientes en un motor de combustión interna, el licuado de gases en un sistema de enfriamiento y la carrera de compresión de un motor disel.
si se añade energía térmica a un sistema que se mantiene a volumen constante, toda la energía térmica se utiliza para aumentar la energía interna del sistema. Cuando una mezcla de vapor de gasolina y aire hace explosión en el cilindro de un motor, la temperatura y la presión aumentan repentinamente debido a que el volumen del cilindro no cambia de manera apreciable durante la corta duración de la explosión.
Primera Ley para un proceso a volumen constante
MÁQUINAS TÉRMICAS
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Una máquina térmica lleva cierta sustancia de trabajo a través de un proceso cíclico durante el cual 1) la energía térmica se absorbe de una fuente a alta temperatura, 2) la máquina realiza el trabajo y 3) la máquina expulsa la energía térmica a una fuente de menor temperatura.
El trabajo neto W hecho por la máquina térmica es igual al calor neto que influye hacia ella
La eficiencia térmica
,
e
, de una máquina térmica se define como el cociente del trabajo neto realizado a la energía térmica absorbida a una temperatura más alta durante un ciclo:
Podemos considerar a la eficiencia como la razón entre lo que usted obtiene (trabajo mecánico) y lo que usted da (energía térmica a la temperatura más alta). una máquina térmica con eficiencia perfecta tendría que convertir toda la energía térmica absorbida en trabajo mecánico. Una de las consecuencias de la segunda ley de la termodinámica es que esto es imposible.
En la práctica, se encuentra que todas las máquinas térmicas convierten en trabajo mecánico sólo una fracción de la energía térmica que absorben. Por ejemplo, un buen motor de automóvil tiene una eficiencia de aproximante 20%, en tanto que las máquinas diesel tienen eficiencias que varían de 35% a 40%.
Temperatura
La temperatura es medible mediante un termómetro. y tener la sensación de calor o de frió. al hacer contacto con un cuerpo de menor temperatura que el nuestro tendremos la sensación de frió vise versamente.
Las primeras dos leyes de la termodinámica puede resumirse así:
La primera ley señala que no podemos obtener más energía de un proceso cíclico que la cantidad de energía térmica que aportamos, y la segunda ley afirma que no podemos quedar iguales porque debemos poner más energía térmica, a la temperatura más alta, que la cantidad neta de salida de trabajo.
solución, la eficiencia de la máquina esta dada por la siguiente ecuación
remplazando tenemos,
calcule el trabajo realizado por 1.0 mol de un gas ideal que se mantiene a 0.0 °C durante una expansión de 3.0 Litros a 10.0 Litros
Solución, La sustución de estos valores en la ecuación de trabajo hecho en un proceso isotérmico, resulta como sigue,
sabemos que 0.0°C = 273°K
R=8.31J/mol*°K (constante de un gas ideal)
Un gramo de agua ocupa un volumen de 1.00 cm3 a presión atmosférica. Cuando esta cantidad de agua hierve, se convierte en 1671 cm3 de vapor. Calcule el cambio en la energía interna para este proceso.
Solución, Puesto que el calor latente de vaporización del agua es 2.26X10^6 J/Kg a presión atmosférica, el calor necesario para hervir 1.00 g es
El trabajo hecho por el sistema es positivo e igual a
Por lo tanto el cambio de energía interna es
La energía interna del sistema aumenta debido a que es positiva. Vemos que la mayor parte (93%) de la energía térmica transferida al líquido se usa para aumentar la energía interna. Solo el 7% corresponde al trabajo externo.
4. La máquina de Vapor
Una maquina de vapor tiene una caldera que opera 500 °K. El calor transforma el agua en vapor, y éste mueve el émbolo. La temperatura de escape es la del aire exterior, aproximadamente 300 °K ¿Cual es la eficiencia térmica máxima de esta máquina de Vapor?
Solución, De la expresión para la eficiencia de una máquina de Carnot encontramos la eficiencia térmica máxima para cualquier máquina que opere entre estas temperaturas:

Si dos o más cuerpos se encuentran a diferente temperatura y son puestos en contacto, pasado cierto tiempo, alcanzarán la misma temperatura, por lo que estarán térmicamente equilibrados.
LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
Equilibrio termico
La energía puede transferirse de dos maneras entre un sistema y sus alrededores. Una es el trabajo hecho por (o sobre) el sistema lo que requiere que haya un desplazamiento macroscópico del punto de aplicación de una fuerza (o presión). La otra es transferencia de energía térmica, la cual ocurre a través de colisiones moleculares aleatorias.
Cada una de estas presenta un cambio de energía del sistema y por lo tanto, suele haber cambios medibles en las variables microscópicas del sistema, como la presión, la temperatura y el volumen de un gas.
En un proceso común para producir electricidad en una central eléctrica, por ejemplo, se quema carbón o algún otro combustible y la energía térmica producida se utliza para convertir agua en vapor. Éste vapor se dirige a los álabes de una turbina, haciendola girar.
Qc=Cantidad de calor que se absorbe al sistema
W=Trabajo efectuado
Qf=Entrega de Calor del sistema
Qneto=Qc-Qf
por lo tanto,
W=Qc-Qf
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