Semana12 primera ley termodinamica

1. Cuaderno de Actividades: O y T
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6) Conservación de la energía,
1ra
Ley de la Termodinámica

2. Cuaderno de Actividades: O y T
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6) Conservación de la energía, 1ra Ley de la
Termodinámica
Experimentaremos como en un sistema físico se pueden producir diversas
transformaciones de energía que involucren calor, energía térmica, energía
interna, energía mecánica o, como es posible virtud al calor, bajo
determinadas condiciones, hacer que un sistema realice trabajo, esto es,
veremos como un sistema es capaz de hacer trabajo. En todos los casos es
posible plantear la conservación de la energía, que en termodinámica
constituye su 1ra
Ley.
6.1) Calor y Energía térmica en sistemas termodinámicos
Un sistema termodinámico será un sistema físico que podrá especificarse
usando ciertas variables macro o microscópicas, usaremos en general, las
variables macroscópicas (p, V, T, U) para describir el estado de estos
sistemas.
En el contexto energético, las energías asociadas a los sistemas
termodinámicos 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 necesario contar con una relación adecuada que permita
hacer la conversión entre dichas cantidades, esa expresión la obtuvo James
Joule con su notable experimento. Halló lo que actualmente se conoce como
equivalente mecánico de la caloría,
1 4,186cal J

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¿? Represente en un sistema gaseoso poco denso las diversas formas de
energía.
¿? Describa el experimento de James Joule.
En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es
decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor
caloría.
Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran
cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar
apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.
Descripción.
Un recipiente aislado térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con
un termómetro para medir su temperatura, un eje con unas paletas que se
ponen en movimiento por la acción de una pesa, tal como se muestra en la
figura.
La versión original del experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan
simétricamente del eje.

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La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía
potencial. Como consecuencia, el agua agitada por las paletas se clienta
debido a la fricción.
Si el bloque de masa M desciende una altura h, la energía potencial disminuye
en Mgh, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian
otras pérdidas).
Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al
incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (el
calor específico de agua) es igual a 4.186 J/(g ºC). Por tanto, 4.186 J de
energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C. Se
define la caloría como 4.186 J sin referencia a la sustancia que se está
calentando.
1 cal=4.186 J
En la simulación de la experiencia de Joule, se desprecia el equivalente en
agua del calorímetro, del termómetro, del eje y de las paletas, la pérdida de
energía por las paredes aislantes del recipiente del calorímetro y otras pérdidas
debidas al rozamiento en las poleas, etc.
 Sea M la masa del bloque que cuelga y h su desplazamiento vertical
 m la masa de agua del calorímetro
 T0 la temperatura inicial del aguay T la temperatura final
 g=9.8 m/s2
la aceleración de la gravedad
La conversión de energía mecánica íntegramente en calor se expresa mediante
la siguiente ecuación.
Mgh=mc(T-T0)
Se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg K).

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Como el calor especifico del agua es por definición c=1 cal/(g ºC), obtenemos
la equivalencia entre las unidades de calor y de trabajo o energía.
6.2) Trabajo y Calor en procesos termodinámicos.
Especificar el estado de los sistemas termodinámicos puede depender de
diversas consideraciones, por ejemplo, de la naturaleza del sistema. Usaremos
mayoritariamente un sistema gas constituido por un solo tipo de molécula (gas
ideal), que además se encuentre en equilibrio térmico interno, es decir, que
cada punto del sistema se encuentre a los mismos valores de p y T.
Un proceso termodinámico es una secuencia continua de estados, por
los que atraviesa el sistema, para transformarse de un estado inicial a
otro final.
i) Trabajo, W
Supongamos 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 al
gas de tal manera que se expanda lentamente, esto es, cuasiestáticamente,
para garantizar el equilibrio termodinámico del gas, entonces, el trabajo
efectuado por el gas sobre el émbolo será,
GAS
T
1 (p1,V1,T1)
Proceso
V
p 2(p2, V2, T2)
A
Fg Fe
x x

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 
v
v
, A: Area del embolo
, : Cambio de V debido a la expansión
g g
f
i
dW Fdx F dx F pA
dW pAdx dV
p
p d
p V
V Adx dV
W pdV
   
   
   
Por lo tanto, para calcular el W hecho por el gas (qué será asumido +) se
deberá conocer  p p V . Una grafica p-V nos muestra al W hecho por el gas
mediante el área bajo la curva,
Ahora, 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
muestra a continuación 2 curvas p-V entre los estados i-f que corroboran este
hecho,
p
i
pi
pf f
W
V
vi vf

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ii) Calor, Q
El calor, forma de energía térmica, puede darse o extraerse de diversas
formas para que el sistema evolucione del estado inicial al final, esto es, una
vez 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
haciendo que su energía interna cambie sin recibir Q.
6.3) 1ra
Ley de la Termodinámica, Conservación de la Energía.
Según lo observado para W y Q, cada una de ellas dependen de la forma
como se realice la transformación del sistema entre los estados i  f; la
cantidad de calor (energía térmica) que se agrega a un sistema se puede
transformar 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 hechos
importantísimos,
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 W  
En esta ecuación, como ya se indicó, la energía U esta vinculada al estado del
sistema, esto es, podría usarse para caracterizarlo. U es una propiedad del
p p
pi i pi i
f pf w2 f
pf
wi
vi vf V vi vf V

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sistema, lo define; más aún, no es tanto U si no U la cantidad energética
importante. U es por lo tanto una función de estado.
6.4) Procesos térmicos importantes.
Describimos como un sistema termodinámico especial (gas ideal) se
transforma del estado inicial al estado final, mediante la 1ra
Ley de la
termodinámica.
i) PT con sistema aislado
Q  0 y W  0  U  0  Ui  Uf 
ii) PT cíclico
Estado i  Estado f: U  0  Q  W 
iii)PT Adiabático
Q  0  U  -W 
Casos especiales: a) Expansión libre adiabática, W  0.
b) Enfriamiento abrupto adiabático, T 0 K.
¿? Aplicaciones tecnológicas de los PT adiabáticos.

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OptiMist se instala en la sección de humectación y en el circuito del aire
en expulsión (aguas arriba del intercambiador de calor) de las centrales
de tratamiento de aire
Carel, especialista en los sistemas de humectación y refrigeración evaporativa,
propone un nuevo producto que se suma a la amplia gama de soluciones para
garantizar una correcta humedad del aire: el optiMist.
El optiMist no es sólo un humidificador: en este único producto, de hecho, la función
de "evaporative cooling" o refrigeración evaporativa (típicamente estival) está
presente junto a la de humectación adiabática, para un control perfecto de la
humedad del aire (típicamente invernal).
iv) PT Isotérmico
T  constante : U  0  Q  W  nRTln
f
i
V
V
 
 
 
expansión 
Gas ideal : pV  nRT
v) PT isobárico
p  constante : W  pV, V  Vf - Vi 
vi) PT isovolumétrico o isocoro
V  constante: W  0  Q  U 

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Observaciones:
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  y  hacen indistinguibles a Q y W!
Esto es, nunca se podrá distinguir microscópicamente si U fue producida
por Q o W.