Leyes de la termodinámica

1. INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA
La termodinámica
estudia el
es
La rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el calor,
haciendo foco en el estudio de los vínculos de este y las demás variedades
de energía.
Sistema termodinámico
Universo
Medio o entorno
Sistema
Aislados
No Intercambian
materia y energía.
con el medio.
Cerrados
Intercambian
energía con el
medio.
Abiertos
Intercambian
materia
y energía con
el medio .
una porción del
universo que se aísla
para ser estudiado.
se clasifican
el cual es
según su
interacción con
el medio

2. Therme: calor Dynamis: movimiento (fuerzas)
Siglo XVIII:“Estudio de las fuerzas que originan el calor”
Estudio de las máquinas de vapor

4. Otras definiciones:
• Parte de la física que estudia la energía y la entropía.
• Ciencia que estudia la relación entre el calor y el
trabajo y de aquellas propiedades de las sustancias
que guardan relación con ellas.

5. LEYES DE LA TERMODINÁMICA

8. Sistema termodinámico
• Sistema : Porción del universo definida por el
observador para llevar a cabo un estudio.
Lugar o
volumen
de control
Sistema
Observador
Energía
Energía

9. Sistema termodinámico

10. •Alrededores : Es todo aquello que no forma
parte del sistema. (lo que rodea al sistema)
Universo = Sistema + Alrededor.
• Fronteras: Son los límites que define un
sistema y pueden ser físicos (reales) o
imaginarios; móviles o fijas.

13. Volumen de control.
• Volumen de control : es un sistema definido cuando esta involucrado un
flujo de masa durante su estudio.
• Sistema abierto: Es aquel que intercambia materia a través de las
fronteras.
• Sistema aislado: Es aquel que no percibe influencias del alrededor. Ni el
calor ni el trabajo cruzan las fronteras del sistema.

14. • Propiedad termodinámica: es una variable que cuantifica la situación de un
sistema. Esta depende del estado del sistema y es independiente de la
trayectoria (esto es, de sus antecedentes) por la cual haya llegado a dicho
estado.
• Podemos clasificarlas en: intensivas y Extensivas.
• Propiedades intensivas: Aquellas que NO dependen de la masa del sistema.
(Ejemplo : presión (P), Temperatura (T), densidad (ρ).
• Propiedades extensivas: Aquellas que dependen de la masa del sistema. .
(Ejemplo : peso (F = m x g), Volumen (V)
Propiedad termodinámica

15. ESTADO
Estado: es la condición del sistema definida
por sus propiedades independientes.

16. Procesos.
• proceso: es la transformación de un estado a
otro, siendo el camino del proceso la serie de
estados a través de los cuales pasa.
Proceso característica
Isotérmico Temperatura constante
Isobárico Presión constante
isocórico Volumen constante
Isentrópico Entropía constante
Adiabático Q = 0 , no existe transferencia de calor.

17. Ciclo.
• Ciclo: es un proceso que comienza y termina en un mismo
estado. Las propiedades varían durante el transcurso del
ciclo. Pero al volver al estado inicial todas las propiedades
vuelven a tomar sus valores originales.
• Equilibrio: es cuando en un sistema no ocurren cambios en
sus propiedades sin un estímulo externo.

18. Fase.
• Fase: cantidad homogénea y uniforme de
materia.
• Sustancia de trabajo: es la materia a
considerar dentro del sistema en estudio. Las
propiedades termodinámicas dependen de su
naturaleza y de las condiciones de operación.

19. La termodinámica estudia las propiedades que se conocen como variables
termodinámicas (composición y concentración de los componentes,
presión, volumen, temperatura), que se refieren al comportamiento global
de un número muy elevado de partículas y que definen el llamado estado
del sistema.
Cuando estas variables tienen un valor definido para cada estado del
sistema sin depender de los procesos que este haya experimentado
reciben el nombre de funciones de estado.

21. TRANSFORMACIONES DE UN SISTEMA TERMODINÁMICO
Las transformaciones de un sistema
termodinámico desde un estado inicial
a otro final pueden tener lugar de
distintas formas que se representan
gráficamente en un diagrama P-V.
γ es el coeficiente adiabático y se
calcula: CP/CV

22. Primer principio de la termodinámica
En el ejemplo, al calentar el agua el tapón sale lanzado. El calor transmitido al agua se transforma en:
-Lanzar el tapón (trabajo mecánico)
-Aumentar la energía interna de las moléculas de agua

25. 2º Principio de la Termodinámica
hay muchos enunciados equivalentes de la segunda ley de la termodinámica:
(1) Un sistema aislado evoluciona de forma natural hacia las configuraciones más probables.
(2) Un sistema aislado evoluciona de forma natural hacia la redistribución de la energía disponible equitativamente
entre sus partes.
(3) En los sistemas aislados, el calor fluye de los cuerpos calientes a los fríos.
(4) La capacidad de un sistema aislado de convertir calor en trabajo decrece constantemente.
(5) Aunque la energía se conserva, la energía disponible en cualquier sistema aislado siempre disminuye.
(6) Los sistemas aislados evolucionan en el sentido en el que incrementan su entropía (disminuyen su orden).

26. Segundo principio de la termodinámica

27. Hay que darse cuenta de que la energía calorífica puede utilizarse para elevar una masa y realizar
trabajo, sólo porque había una diferencia de temperaturas entre los dos gases.
Si inicialmente los gases hubieran estado a la misma temperatura, entonces el sistema habría
estado en equilibrio y no habría habido flujo de calor.
Podría existir una gran cantidad de energía calorífica presente en ambos gases, en forma de
movimientos moleculares, pero la energía no podría utilizarse para realizar trabajo.
Si el calor no fluye, el peso no se puede elevar.
El caso en el que las dos temperaturas son iguales, produciría el mismo efecto que salir de la ducha
y tratar de secarse con una toalla húmeda. Si la toalla está tan húmeda como tú, no te podrás secar.
NO EXISTE UNA MÁQUINA CAPAZ DE CONVERTIR EL CALOR EN TRABAJO A
EXPENSAS DE UNA SOLA FUENTE

28. CONSECUENCIAS A NIVEL GLOBAL
Ya que el calor fluye continuamente de los cuerpos calientes a los fríos en todos los lugares
del universo, como dice la segunda ley de la termodinámica, el universo pierde
gradualmente su capacidad de realizar trabajo.
La cantidad total de energía disponible disminuye constantemente. No sólo es que todas las
máquinas del universo se estén descargando, sino que además la capacidad de reconvertir
el calor resultante en trabajo se reduce con el tiempo.
No hay forma de eludir la unidireccionalidad de la segunda ley de la termodinámica.
Esta implicación sorprendente de la segunda ley, que ha intrigado y alarmado a la gente
desde mediados del siglo xIx, se ha denominado la «muerte térmica» del universo.
Aún se debate entre los físicos de qué manera se aplica la segunda ley de la termodinámica al
universo como un todo.

29. Máquinas térmicas
El deseo de construir máquinas tan eficientes como fuera posible fue el
motivo de gran parte de la comprensión de la segunda ley.
La primera de estas investigaciones la realizó el científico, físico e ingeniero
francés Sadi Carnot (memoria clásica «Reflections on the Motive Power of
Fire(*)» (1824) )una vez que la revolución industrial estaba a pleno ritmo.
En particular, Carnot quería saber la eficiencia teórica máxima de una
máquina térmica (dispositivo que puede realizar trabajo movido por calor,
llamado motor térmico.)
(*)Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia

30. Ciclo de CARNOT

32. CONCEPTOS BÁSICO DE TERMODINÁMICA Autor: Marcos Lazzarini
ENERGÍA (E) : se define como “la capacidad que tiene un cuerpo
para realizar trabajo“.
TRABAJO (W): En física se define trabajo como “la fuerza que se
ejerce sobre un cuerpo para producirle un movimiento, en una
determinada distancia”
Su fórmula es W (trabajo)= F(fuerza) x d (distancia)
Su unidad es el Joule se simboliza con la letra “J”
Por lo tanto hablar de trabajo es lo mismo que hablar de energía y
viceversa. Entonces cualquier energía se puede expresar en “Joule”
TEMPERATURA (T): “Es una medida de la energía cinética promedio
de todas las moléculas de un sistema” .
ENERGÍA INTERNA (U): “Es la suma de las energías cinéticas y
potenciales de todas las moléculas que componen a un sistema”.
Energía Interna (U) = Energía cinética (Ec) + Energía potencial (Ep)
Hay tres tipos de energía cinética: de traslación, rotación y vibración.
Hay diferentes Energía potenciales ( elástica, gravitatoria, eléctrica,
química y nuclear).
CALOR (Q): “Es energía en transito” entre dos sistemas con diferentes
temperatura o “Energía cinética media” ,la dirección del calor siempre es
desde el cuerpo que tiene mayor temperatura al de menor temperatura,
es decir del cuerpo más caliente al más frío. A este tipo de energía se la
conoce como energía térmica o calórica.
¿CON QUÉ UNIDADES DE ENERGÍA SE MIDE EL CALOR?
Las unidad de energía es el Julio se simboliza por la letra “J “.
El “CALOR” o energía calórica, tiene su equivalente de energía , la
“CALORÍA” ,se simboliza ”cal”
Se define como “la cantidad de calor que se necesita aportar a un 1 g
de agua para que eleve su temperatura en 1°C”
1 CALORÍA = 4,18 Joule , en símbolos 1 cal = 4,18 J
Un múltiplo muy utilizado es la kilocaloría 1Kcal = 1000 cal
TA > TB
A B
Q A→B

33. ANÁLISIS DE LA RELACIÓN DE CALOR, ENERGÍA INTERNA Y TEMPERATURA Autor: Marcos Lazzarini
En el siguiente ejemplo se tiene dos sistemas “A” y ”B” con las siguientes condiciones:
✔ Cada sistema posee sustancias diferentes, gaseosas y monoatómicas.
✔ Los dos sistemas tienen igual masa.
✔ Las moléculas del sistema “A” tienen el doble de tamaño que las moléculas del sistema “B”.
✔ Solo considera solamente la energía cinética de traslación.
✔ El sistema “A” formado por 10 moléculas y el sistema “B” por 20 moléculas.
✔ Se entrega a ambos sistemas 200 J de calor.
✔ Conclusión: A sustancias diferentes de igual masa al entregarle una misma cantidad de calor aumentarán su energía interna en la misma
proporción pero tendrán diferentes temperaturas.
Q = 200 J Q = 200 J
Energía Cinética media
20 J
Energía Cinética media
10 J
10 moléculas
A B
20 moléculas
TA > TB
∆UA = ∆UB
MA = MB
∆U B = 20 moléculas x 10 J = 200 J
ECm_A < ECm_B
∆U A = 10 moléculas x 20 J = 200 J

34. PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA
“1°Principio de la termodinámica” 0 “Ley de la conservación de energía”
Este principio dice que la energía se puede transferir o convertirse de una forma a otra, pero jamás se puede crear o destruir, la energía
en el universo es constante.
∆U = Q + W
Calor (Q) (+)
Energía Interna (U)
Trabajo (-) (W)
Entorno
Sistema
Calor (Q) (-)
Trabajo (+) (W)

35. PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA
“1°Principio de la termodinámica” 0 “Ley de la conservación de energía”
“En un proceso termodinámico, la energía interna de un sistema puede aumentar, disminuir o mantenerse sin cambio.
“En todo proceso termodinámico la
variación de energía interna depende
solamente del estado inicial y final de un
sistema”