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FÍSICA ENERGÍA
Saberes previos:
Observe la fotografía
Una locomotora opera
utilizando la primera
termodinámica: el agua se calienta
de vapor
ley de la
y
hierve, y el vapor al expandirse efectúa
trabajo que impulsa a la locomotora.
¿Sería posible que el vapor de agua que
impulsa a la locomotora efectúe trabajo
al condensarse?
i. Sí;
ii. no;
iii. la respuesta depende de los detalles
de cómo se condensa el vapor.
Inicio
Extraído de FÍSICA UNIVERSITARIA con Física Moderna Sears Zemansky Vol 1.
LOGRO DE LA SESIÓN:
Al término de la sesión, el estudiante relaciona calor,
trabajo y energía interna mediante la primera ley de
la termodinámica.
Sistema termodinámico
La termodinámica estudia los
intercambios de energía térmica entre
sistemas y los fenómenos mecánicos
que implican tales
Cuando la energía
intercambios.
(mecánica,
térmica, eléctrica, etc.) se transforma
de una forma a otra, siempre hay una
cantidad que se convierte en calor.
Calor significa energía en tránsito y
dinámica se refiere al movimiento, por
lo que en esencia, la termodinámica
estudia la circulación de la energía y
cómo la energía infunde movimiento.
Sistemas Termodinámicos
Sistema Aislado: es aquél que no
intercambia ni materia ni energía con
los alrededores.
Sistema Cerrado: es aquél que
intercambia energía (calor y trabajo)
pero no materia con los alrededores
(su masa permanece constante).
Sistema Abierto: es aquél que
intercambia energía y materia con los
alrededores.
Energía Interna
Es el resultado de la contribución de la energía
cinética de las moléculas o átomos que lo
constituyen, de sus energías de rotación,
traslación y vibración, además de la energía
potencial intermolecular debida a las fuerzas
de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear.
Sólo depende del estado inicial y del estado
final.
Por lo tanto, la variación de energía interna
en un ciclo es siempre nula, ya que el estado
inicial y el final coinciden: ΔU ciclo = 0
Calor
El calor (Q), es la transferencia de energía debida a una
diferencia de temperaturas. Es función de la trayectoria, es
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La cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura
de un sistema en un grado, manteniendo el volumen
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constante, se llama capacidad calorífica
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La cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura
de un sistema en un grado, manteniendo la presión constante,
se llama capacidad calorífica a presión constante. Es una
propiedad extensiva y se representa por 𝐶𝑝.
Trabajo
El trabajo (W) es la cantidad de energía
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La expresión general del trabajo para un
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encerrado en un recipiente por un pistón,
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Por efecto de la fuerza F el pistón se
desplaza desde una posición inicial a una
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Trabajo
Primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica básicamente
es el Principio de conservación de energía (en un
sistema termodinámico).
El calor Q que se le suministra a un sistema, es igual al cambio en la energía
interna ∆U mas trabajo W que el sistema efectúa (se expande).
Convención de signos
Q = (+), si el sistema absorbe calor.
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ΔU= (+), la energía interna aumenta (T final > T inicial).
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Si se adicionan 400 kcal a un gas que se expande y realiza 800 kJ de trabajo, ¿Cuál es la
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De la teoría cinético molecular, se sabe que la energía cinética media de las
moléculas de un gas monoatómico (3 grados de libertad) es:
por definición de capacidad calorífica a volumen constante,
donde dQ es el aporte de calor necesario para un cambio de temperatura. si EC
representa la energía molecular total, dEC y dQ deben ser iguales:
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De la teoría cinético molecular, se sabe que la energía cinética media de las
moléculas de un gas diatómico (5 grados de libertad) es:
por definición de capacidad calorífica a volumen constante
donde dQ es el aporte de calor necesario para un cambio de temperatura. si EC
representa la energía molecular total, dEC y dQ deben ser iguales:
Movimientos de una molécula. Equipartición de
energía
Movimientos de una molécula. Equipartición de
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Ejemplo
Una cantidad de aire se lleva del estado a al b siguiendo una trayectoria recta en una gráfica pV. Si
Va = 0,0700 m3, Vb = 0,1100 m3, pa = 1,00 x l05 Pa y pb = 1,40 x l05 Pa, ¿Cuánto trabajo efectúa el
gas en este proceso. Suponga que el gas tiene comportamiento ideal.
Ejemplo
La gráfica pV de la figura muestra una serie de procesos termodinámicos. En el proceso ab, se
agregan 150 J de calor al sistema; en el proceso bd, se agregan 600 J. Calcule:
a) el cambio de energía interna en el proceso ab;
b) el cambio de energía interna en el proceso abd (azul claro); y
c) el calor total agregado en el proceso acd (azul oscuro).
Ejemplo
Un mol de un gas ideal sufre el proceso mostrado en la figura. Calcule la variación de la energía
interna en AB y BC.
Considere que:
TA = 300K, TB = 350K, TC = 650K,
CV = 5 cal/mol-K, y R = 1,73 cal/mol-K.
Ejemplo
Un gramo de agua (1 cm3) se convierte en 1671 cm3 de vapor cuando se hierve a presión
constante de 1 atm (1.013 x 105 Pa). El calor de vaporización a esta presión es Lv = 2.256 x 106
J/kg. Calcule:
a) el trabajo efectuado por el agua al vaporizarse y
b) su aumento de energía interna.
Qué hemos aprendido hoy?
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Para culminar nuestra sesión respondemos a:

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  • 2. Saberes previos: Observe la fotografía Una locomotora opera utilizando la primera termodinámica: el agua se calienta de vapor ley de la y hierve, y el vapor al expandirse efectúa trabajo que impulsa a la locomotora. ¿Sería posible que el vapor de agua que impulsa a la locomotora efectúe trabajo al condensarse? i. Sí; ii. no; iii. la respuesta depende de los detalles de cómo se condensa el vapor. Inicio Extraído de FÍSICA UNIVERSITARIA con Física Moderna Sears Zemansky Vol 1.
  • 3. LOGRO DE LA SESIÓN: Al término de la sesión, el estudiante relaciona calor, trabajo y energía interna mediante la primera ley de la termodinámica.
  • 4. Sistema termodinámico La termodinámica estudia los intercambios de energía térmica entre sistemas y los fenómenos mecánicos que implican tales Cuando la energía intercambios. (mecánica, térmica, eléctrica, etc.) se transforma de una forma a otra, siempre hay una cantidad que se convierte en calor. Calor significa energía en tránsito y dinámica se refiere al movimiento, por lo que en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo la energía infunde movimiento.
  • 5. Sistemas Termodinámicos Sistema Aislado: es aquél que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores. Sistema Cerrado: es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante). Sistema Abierto: es aquél que intercambia energía y materia con los alrededores.
  • 6. Energía Interna Es el resultado de la contribución de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energías de rotación, traslación y vibración, además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear. Sólo depende del estado inicial y del estado final. Por lo tanto, la variación de energía interna en un ciclo es siempre nula, ya que el estado inicial y el final coinciden: ΔU ciclo = 0
  • 7. Calor El calor (Q), es la transferencia de energía debida a una diferencia de temperaturas. Es función de la trayectoria, es decir, depende del camino seguido, del número de etapas en que se realiza. La cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un sistema en un grado, manteniendo el volumen a volumen constante, se llama capacidad calorífica constante. Es una propiedad extensiva y se representa por 𝐶𝑣. La cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un sistema en un grado, manteniendo la presión constante, se llama capacidad calorífica a presión constante. Es una propiedad extensiva y se representa por 𝐶𝑝.
  • 8. Trabajo El trabajo (W) es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante una fuerza cuando se produce un desplazamiento. La expresión general del trabajo para un sistema termodinámico concreto: un gas encerrado en un recipiente por un pistón, que puede moverse sin rozamiento. Por efecto de la fuerza F el pistón se desplaza desde una posición inicial a una posición final, mientras recorre una distancia dy.
  • 10. Primera ley de la termodinámica La primera ley de la termodinámica básicamente es el Principio de conservación de energía (en un sistema termodinámico). El calor Q que se le suministra a un sistema, es igual al cambio en la energía interna ∆U mas trabajo W que el sistema efectúa (se expande).
  • 11. Convención de signos Q = (+), si el sistema absorbe calor. Q = (–), si el sistema elimina calor. W = (+), el sistema realiza trabajo (expansión) W = (–), se realiza trabajo sobre el sistema (compresión) ΔU= (+), la energía interna aumenta (T final > T inicial). ΔU= (–), la energía interna disminuye (T final < T inicial).
  • 12. Ejemplo Si se adicionan 400 kcal a un gas que se expande y realiza 800 kJ de trabajo, ¿Cuál es la variación de la energía interna del gas?
  • 13. Capacidad Calorífica de un gas ideal
  • 14. Capacidad Calorífica de un gas ideal
  • 15. Capacidad Calorífica de un gas ideal De la teoría cinético molecular, se sabe que la energía cinética media de las moléculas de un gas monoatómico (3 grados de libertad) es: por definición de capacidad calorífica a volumen constante, donde dQ es el aporte de calor necesario para un cambio de temperatura. si EC representa la energía molecular total, dEC y dQ deben ser iguales:
  • 16. Capacidad Calorífica de un gas ideal De la teoría cinético molecular, se sabe que la energía cinética media de las moléculas de un gas diatómico (5 grados de libertad) es: por definición de capacidad calorífica a volumen constante donde dQ es el aporte de calor necesario para un cambio de temperatura. si EC representa la energía molecular total, dEC y dQ deben ser iguales:
  • 17. Movimientos de una molécula. Equipartición de energía
  • 18. Movimientos de una molécula. Equipartición de energía
  • 20. Ejemplo Una cantidad de aire se lleva del estado a al b siguiendo una trayectoria recta en una gráfica pV. Si Va = 0,0700 m3, Vb = 0,1100 m3, pa = 1,00 x l05 Pa y pb = 1,40 x l05 Pa, ¿Cuánto trabajo efectúa el gas en este proceso. Suponga que el gas tiene comportamiento ideal.
  • 21. Ejemplo La gráfica pV de la figura muestra una serie de procesos termodinámicos. En el proceso ab, se agregan 150 J de calor al sistema; en el proceso bd, se agregan 600 J. Calcule: a) el cambio de energía interna en el proceso ab; b) el cambio de energía interna en el proceso abd (azul claro); y c) el calor total agregado en el proceso acd (azul oscuro).
  • 22. Ejemplo Un mol de un gas ideal sufre el proceso mostrado en la figura. Calcule la variación de la energía interna en AB y BC. Considere que: TA = 300K, TB = 350K, TC = 650K, CV = 5 cal/mol-K, y R = 1,73 cal/mol-K.
  • 23. Ejemplo Un gramo de agua (1 cm3) se convierte en 1671 cm3 de vapor cuando se hierve a presión constante de 1 atm (1.013 x 105 Pa). El calor de vaporización a esta presión es Lv = 2.256 x 106 J/kg. Calcule: a) el trabajo efectuado por el agua al vaporizarse y b) su aumento de energía interna.
  • 24. Qué hemos aprendido hoy? Cierre Para culminar nuestra sesión respondemos a: