Leyes de la termodinámica

1. LEYES DE LA TERMODINÁMICALEYES DE LA TERMODINÁMICA
Profesor: Ignacio Espinoza BrazProfesor: Ignacio Espinoza Braz
Colegio Adventista
Subsector Física
Arica

2. TermodinámicaTermodinámica
Se llaman
variables de
estado a las
cantidades
que describen
el estado de
un sistema,
como la
energía
interna U , la
presión P, el
volumen V, la
temperatura T
y la masa m o
el número de
moles n.
El estudio de los procesos en los que la
energía se transfiere como calor y trabajo
se denomina termodinámica.
La termodinámica, en un enfoque
macroscópico, describe el estado de un
sistema mediante el uso de variables,
conocidas como variables de estado.
El estado macroscópico de un sistema
aislado solo se puede especificar si el
sistema está en equilibrio térmico interno.

3. Calor y TrabajoCalor y Trabajo
El calor se define como una transferencia de energía provocada
por una diferencia de temperatura. Mientras que, el trabajo es
una transferencia de energía que no se debe a una diferencia
de temperatura.
F P A= ×
La figura (a) muestra un gas encerrado en un cilindro
dotado de un émbolo móvil. El gas está en equilibrio,
ocupando un volumen V y ejerciendo una presión
uniforme P sobre las paredes del cilindro y el
émbolo. Si el émbolo tiene un área A, la fuerza que
el gas ejerce sobre el émbolo será:

4. Si el gas se expande lentamente de manera que el sistema
permanezca prácticamente en equilibrio termodinámico en
todo momento, entonces, a medida que el émbolo ascienda
una distancia , el trabajo W realizado por el gas sobre el
émbolo será:
Como es el aumento de volumen del gas, se puede
escribir el trabajo W realizado como:
yD
W F y P A y= ×D = × ×D
W P V= ×D
A y×D VD

5. El gas se expande como se muestra en la figura
(b), será positivo y el trabajo realizado por el
gas también será positivo. Si el gas se comprime,
será negativo y el trabajo realizado por el
gas también será negativo.
En este caso, el trabajo negativo se puede
interpretar como un trabajo que se realiza sobre
el sistema. Cuando el volumen permanece
constante, el trabajo realizado por o sobre el
sistema será cero.
VD
VD

6. El trabajo realizado por un gas cuando pasa de un estado inicial a un
estado final depende de la trayectoria seguida entre los dos estados.
Se puede observar que el trabajo realizado a lo largo de la
trayectoria en cada caso es:
a)
b) resultado mayor que en a)
c)Es un valor intermedio entre los valores obtenidos anteriormente.
( )f f i
P V V-
( )f f i
P V V-

7. Trabajo Realizado por un GasTrabajo Realizado por un Gas
El área bajo la curva en el diagrama P v/s V
representa el trabajo realizado por un gas en
expansión.

8. Primera Ley de la TermodinámicaPrimera Ley de la Termodinámica
Se refiere a la conservación de la energía, es decir, a que la
energía total en el universo permanece constante, y establece
que el cambio en la energía interna de un sistema cerrado,
es igual al calor neto Q agregado al sistema, menos el
trabajo neto efectuado por el sistema sobre los alrededores.
En donde Q es positivo para el calor agregado o cedido al
sistema y W es positivo para el trabajo realizado por el
sistema. Por otra parte, si se realiza trabajo sobre el sistema,
W será negativo, y si el calor sale del sistema Q, será negativo.
UD
U Q WD = -

9. Procesos TermodinámicosProcesos Termodinámicos
Existen distintos procesos
termodinámicos que se pueden
analizar utilizando la primera
ley de la termodinámica.
Eligiendo un sistema simplificado
como una masa fija de un gas
ideal encerrado en un
contenedor cubierto con un
émbolo móvil, los procesos son
los siguientes:

10. Proceso Isotérmico Proceso Isotérmico
Es un proceso que se lleva a cabo a temperatura constante.
Para esto se supone que el gas está en contacto con un
depósito de calor, que es un cuerpo de masa muy grande,
por lo que su temperatura no cambia significativamente
cuando intercambia calor con el sistema.
Además se supone que el proceso de aumento (expansión) o
disminución (compresión) del volumen se realiza muy
lentamente, de manera que todo gas permanece en
equilibrio a temperatura constante.

11. De acuerdo al gráfico, el gas inicialmente se encuentra en un estado
representado por el punto A. Si se agrega al sistema una cantidad
de calor Q, entonces, la presión y el volumen cambian y el estado
del sistema evolucionará hasta un punto B. Como la temperatura no
varía, el gas debe expandirse y realizar una cantidad de trabajo
W sobre el ambiente (ejerce una fuerza sobre el pistón y lo
desplaza)
A
B
V
P

12. Al no variar la temperatura, la energía interna no
cambia, es decir:
De acuerdo a la primera Ley:

de manera que W=Q.
Esto significa que el trabajo realizado por el gas en un
proceso isotérmico es igual al calor entregado al gas.
0U Q WD = - =
0UD =

13. Proceso AdiabáticoProceso Adiabático
Es un proceso en el cual no se permite flujo de calor hacia el
sistema o desde él, por lo que Q=0
Este proceso se puede lograr con un sistema muy bien aislado
o que ocurra tan rápido que no alcanza a fluir calor hacia
dentro o fuera del sistema.
De acuerdo a la primera ley, en una expansión adiabática,

, lo que significa que la energía interna, al igual que la
temperatura, disminuye. Al contrario, en una compresión
adiabática se realiza trabajo sobre el gas, por lo que la
energía interna aumenta al igual que la temperatura.
U WD =-

14. Proceso IsobáricoProceso Isobárico
Es aquel en que la presión permanece constante. Si el gas
se expande lentamente contra el pistón, el trabajo
realizado por el gas para elevar el pistón será:
En este caso, la primera ley establece que:
Si el gas se comprime a presión constante, el trabajo será
negativo, lo que indica que se estará realizando trabajo
sobre el gas.
W P V= ×D
Q U P V=D + ×D

15. Proceso IsovolumétricoProceso Isovolumétrico
También llamado proceso isocórico, es aquel en
que el volumen permanece constante, por lo cual:
Es decir, no se realiza trabajo, por lo tanto:
0W P V= ×D =
Q U=D

16. Descripción Gráfica de Procesos Descripción Gráfica de Procesos
TermodinámicosTermodinámicos
A
B
V
P
A
P
B
P
B
V
A
V
Isocórico
Isotérmico
Isobárico

17. Segunda Ley de la TermodinámicaSegunda Ley de la Termodinámica
Establece qué procesos de la naturaleza pueden ocurrir y cuáles
no. Existe más de una forma de enunciar esta ley, en palabras
simples podemos decir que el calor jamás fluye espontáneamente
de un objeto frío a un objeto con mayor temperatura.
La primera ley niega la posibilidad de que existan procesos en
los que no se conserva la energía, pero no impone ninguna
restricción respecto a la dirección en que se produce el proceso,
aún cuando la observación de fenómenos naturales indica que
estos se producen en un sentido determinado y no en el opuesto.

18. Por ejemplo, cuando ponemos en
contacto térmico dos cuerpos a
distinta temperatura, sabemos
que el calor fluye del cuerpo con
mayor temperatura al de menor
temperatura.
Este es el ejemplo de un proceso
irreversible.

19. Un proceso es irreversible, si ocurre o se produce
en una sola dirección. Si alguno de estos procesos
ocurre en orden temporal opuesto, entonces
violaría la segunda ley de la termodinámica.

20. Máquinas TérmicasMáquinas Térmicas
Una máquina térmica es cualquier dispositivo que
convierte energía térmica en otras formas útiles de
energía, como la energía mecánica y/ó eléctrica, por
ejemplo, una máquina de vapor o los motores de los
automóviles.
La máquina térmica como dispositivo práctico
hace que una sustancia de trabajo (como un gas)
recorra un proceso cíclico durante en el cual:

21. •Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura.
•La máquina realiza un trabajo.
•Libera calor a una fuente a temperatura más baja.
En una máquina térmica, por conservación
de la energía se cumple que:
Entonces, el trabajo neto es:
C f
Q W Q= +
C f
W Q Q= -

22. La máquina, representada por el círculo en el
centro del diagrama, absorbe cierta cantidad de
calor tomado de la fuente a temperatura más
alta.
Hace un trabajo W y libera calor a la fuente de
temperatura más baja. Debido a que la sustancia
de trabajo se lleva a través de un ciclo, su energía
interna inicial y final es la misma, por lo que:
C
Q
f
Q
0UD =

23. Eficiencia Eficiencia
La eficiencia de una máquina térmica, se define
como la razón entre el trabajo neto realizado y el
calor absorbido durante un ciclo.
Una máquina térmica tiene una eficiencia de un
100% (e=1) sólo si , es decir, si no se libera
calor a la fuente fría y todo el trabajo se transforma
en calor.
1
C f f
C C C
Q Q QW
e
Q Q Q
-
= = = -
0
f
Q=

24. Ejercicios Ejercicios
Un gas ideal está encerrado en un cilindro que tiene un émbolo móvil
en la parte superior. El émbolo tiene una masa de 8000 gr y un área
de 5 cm
3
, y se puede mover libremente hacia arriba y hacia abajo,
manteniendo constante la presión del gas. ¿Cuánto trabajo se hace
cuando la temperatura de 0,2 moles del gas se eleva de 20ºC a
300ºC? (466 J)
Calcular la variación de energía interna de un sistema, si realiza un
trabajo de 140[J] sobre su entorno y absorbe 80[J] de calor.
El motor de un automóvil nuevo tiene una eficiencia del 25% y
produce un promedio de 2500[J] de trabajo mecánico por segundo
cuando está funcionando. ¿cuál es la producción de calor por segundo
de este motor?

25. Un gas es comprimido a una presión constante de 0,8 atm de 9 L a
2 L. En el proceso, 400 J de energía térmica salen del gas. A) ¿Cuál
es el trabajo efectuado por el gas?, b) ¿Cuál es el cambio en su
energía interna? (-567 J; 167 J)
Un sistema termodinámico experimenta un proceso en el cual su
energía interna disminuye 500 J. Si al mismo tiempo se hacen 220 J
de trabajo sobre el sistema, encuentre la energía térmica
transferida a o desde él.
Un gas ideal inicialmente a 300ºK se somete a una expansión
isobárica a 2500[Pa]. Si el volumen aumenta de 1 m
3
a 3 m
3
, y se
transfieren al gas 12500[J] de energía térmica, calcule a) el cambio
en su energía interna, y b) su temperatura final. (7,5 kJ; 900ºK)

26. Una máquina térmica absorbe 360 J de energía térmica y
realiza 25 J de trabajo en cada ciclo. Encuentre a) la eficiencia
de la máquina y b) la energía térmica liberada en cada ciclo.
(6,94%; 335J)
Una máquina térmica efectúa 200 J de trabajo en cada ciclo y
tiene una eficiencia del 30%. En cada ciclo, ¿cuánta energía
térmica se: a) absorbe y b) libera?
El calor que absorbe una máquina es tres veces mayor que el
trabajo que realiza. A) ¿Cuál es su eficiencia térmica?, b) ¿qué
fracción del calor absorbido es liberado hacia el depósito frio?
(0,33; 0,667)