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Cap 11 1ra lt

  1. 1. Cuaderno de Actividades: Física I11) Conservación de la energía, 1ra Ley de la TermodinámicaLic. Percy Víctor Cañote Fajardo 1
  2. 2. Cuaderno de Actividades: Física I6) Conservación de la energía, 1ra Ley de laTermodinámicaExperimentaremos como en un sistema físico se pueden producir diversastransformaciones de energía que involucren calor, energía térmica, energíainterna, energía mecánica o, como es posible virtud al calor, bajodeterminadas condiciones, hacer que un sistema realice trabajo, esto es, comoun sistema es capaz de hacer trabajo. En todos los casos es posible plantearla conservación de la energía, que en termodinámica constituye su 1ra Ley.6.1) Calor y Energía térmica en sistemas termodinámicosUn sistema termodinámico será un sistema físico que podrá especificarseusando ciertas variables macro o microscópicas, usaremos en general, lasvariables macroscópicas (p, V, T, U) para describir el estado de estossistemas.En el contexto energético, las energías asociadas a los sistemastermodinámicos son,i) Energía interna, es la energía propia del sistema asumido estacionario.ii) Energía térmica, parte de la energía interna que depende de la T.iii) Calor, energía térmica transferida por diferencia de Ts.En cuanto a que en diversos procesos se ha observado conversión de EM en Q(energía térmica), es adecuado contar con una relación adecuada que permitahacer la conversión, esa expresión la obtuvo James Joule con su notableexperimento, halló lo que actualmente se conoce como equivalente mecánicode la caloría, 1 cal ≡ 4,186 J¿? Represente en un sistema gaseoso poco denso las diversas formas de energía.¿? Describa el experimento de James Joule.6.2) Trabajo y Calor en procesos termodinámicos.Especificar el estado de los sistemas termodinámicos puede depender dediversas consideraciones, por ejemplo, de la naturaleza del sistema. Usaremosmayoritariamente un sistema gas constituido por un solo tipo de molécula (gasideal), que además se encuentre en equilibrio térmico interno, es decir, quecada punto del sistema se encuentre a los mismos valores de p y T.Un proceso termodinámico es una secuencia continua de estados, porlos que atraviesa el sistema, para transformarse de un estado inicial aotro final.Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo 2
  3. 3. Cuaderno de Actividades: Física I T 1 (p1,V1,T1) GAS i) Proceso V p 2(p2, V2, T2)Trabajo, WSupongamos un gas contenido en un cilindro con émbolo móvil, en equilibrio,con valores de presión y volumen, p y V, respectivamente. Si se añade calor algas de tal manera que se expanda lentamente, esto es, cuasiestáticamente,para garantizar el equilibrio termodinámico del gas, entonces, el trabajoefectuado por el gas sobre el émbolo será, A Fg Fe x x dW ≡ Fdx ≡ Fg dx ← Fg ≡ pA, A: Area del embolo dW ≡ pAdx ≡ pdV ← dV ≡ Adx, dV : Cambio de V debido a la expansión vf → W≡ ∫v i pdV ← p ≡ p ( V )Por lo tanto, para calcular el W hecho por el gas (qué será asumido +) sedeberá conocer p ≡ p ( V ) . Una grafica p-V nos muestra al W hecho por el gasmediante el área bajo la curva,Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo 3
  4. 4. Cuaderno de Actividades: Física I p i pi pf f W V vi vfAhora, un detalle importante en cuanto a la realización del W hecho por el gas,es que este depende solo del proceso, mas no de los estados i – f. Se muestraa continuación 2 curvas p-V entre los estados i-f que corroboran este hecho, p p pi i pi i f pf w2 f pf wi vi vf V vi vf Vii) Calor, QEl calor, forma de energía térmica, puede darse o extraerse de diversasformas para que el sistema evolucione del estado inicial al final, esto es, unavez más, esta CFE no es una función de los estados i-f, si no, del “camino”(proceso) para pasar de i→f.Por ejemplo, un gas ideal puede expandirse desde un Vi hasta un Vf, a T ≡ cte, absorbiendo calor, pero, se puede lograr lo mismo con un gas ideal haciendoque su energía interna cambie sin recibir Q.6.3) 1ra Ley de la Termodinámica, Conservación de la Energía.Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo 4
  5. 5. Cuaderno de Actividades: Física ISegún lo observado para W y Q, cada una de ellas dependen de la formacomo se realice la transformación del sistema entre los estados i → f; lacantidad de calor (energía térmica) que se agrega a un sistema se puedetransformar en trabajo hecho por el sistema y cambios en su energía interna,de igual modo ocurre con el trabajo realizado por (o sobre) el sistema. Esto es,si se considerara la energía Q-W sobre un sistema, de observarían 2 hechosimportantísimos,j) Sólo dependen de los estados inicial-final del sistema.jj) Provocan cambios de la energía interna del sistema, ∆U, haciendo que U sólo dependa de los estados i-f.De tal manera que, de acuerdo a la conservación de la energía., Q − W ≡ ∆U o Q ≡ ∆U + WEn esta ecuación, como ya se indicó, la energía U esta vinculada al estado delsistema, esto es, podría usarse para caracterizarlo. U es una propiedad delsistema, lo define; más aún, no es tanto U si no ∆U la cantidad energéticaimportante. U es por lo tanto una función de estado.6.4) Procesos térmicos importantes.Describimos como un sistema termodinámico especial (gas ideal) setransforma del estado inicial al estado final, mediante la 1ra Ley de latermodinámica.i) PT con sistema aislado Q ≡ 0 y W ≡ 0 → ∆U ≡ 0 → Ui ≡ Uf αii) PT cíclico Estado i ≡ Estado f: ∆U ≡ 0 → Q ≡ W βiii) PT Adiabático Q ≡ 0 → ∆U ≡ -W γCaso especial: Expansión libre adiabática, W ≡ 0.¿? Aplicaciones tecnológicas de los PT adiabáticos.Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo 5
  6. 6. Cuaderno de Actividades: Física Iiv) PT Isotérmico V f  T ≡ constante : ∆U ≡ 0 → Q ≡ W ≡ nRT ln   [expansión] ε  Vi  Gas ideal : pV ≡ nRTv) PT isobático p ≡ constante : W ≡ p∆V, ∆V ≡ Vf - Vi φvi) PT isovolumétrico o isocoro V ≡ constante: W ≡ 0 → Q ≡ ∆U ρObservaciones:j) Los Ws serán +s si los realiza el sistema sobre los exteriores y los Qs serán +s cuando se entregan al sistema. Por consiguiente, cuando W es hecho sobre el sistema o Q sale del sistema se habrán de considerar –s.jj) ¡Las ecuaciones γ y ρ hacen indistinguibles a Q y W! Esto es, nunca se podrá distinguir microscópicamente si ∆U fue producida por Q o W.Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo 6

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