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objetos de estudio 2 termodinamica

2. 1. PrimeraLey de la Termodinámica
Generalidades
Conceptode Energía
Fuentes de Energía
Vectoresde Energía
2. FuncionesTermodinámicas
EnergíaInterna
Entalpía
Calor
CalorEspecifico
TrabajoTermodinámico
ProcesoIsobáricos,
Isotermicos, Isometricosy adiabaticos
Reversibilidady trabajoMáximo
3. Segunday TerceraLey de la Termodinámica
CiclosTermodinámicos
ProyeccióndiagramasPV
Ciclode Carnot
Entropía
Desigualdadde Clausius
Determinaciónde Entropíaen
porcesostermodinámicosengases
Entropíay espontaneidadde losprocesos

4. La primera ley de la termodinámica
establece que la energía se puede
convertir de una forma a otra, pero no se
puede crear ni destruir. Expresado de
otra manera, esta ley indica que la
energía total del universo es constante.
Engeneral,sepuededividirla
energíadeluniversoendos
partes:

5. Siunsistemasufreuncambiodeenergía
ΔEsis,elrestodeluniverso,olos
alrededores,debenmostraruncambiode
energíaqueseademagnitudigual,pero
designocontrario;laenergíaganadaen
unlugardebehaberseperdidoenalguna
otraparte.
Además,comolaenergíapuedecambiarse
deunaformaaotra,laquepierdeun
sistemalapuedeganarotroenuna
formadiferente.
Porejemplo,laenergíaquesepierde
cuandosequemapetróleoenuna
centraleléctrica,enúltimainstancia
puedeiranuestroshogarescomo
energíaeléctrica,calor,luz,etcétera.

6. Enquímicaloqueinteresanormalmentesonloscambiosdeenergíaasociados
conelsistema,ynoconlosalrededores.Hemosvistoquecomoelcaloryel
trabajonosonfuncionesdeestado,notienesentidopreguntarcuántocaloro
trabajoposeeunsistema.Porotraparte,laenergíainternadeunsistemaes
unafuncióndeestado,porquesólodependedelosparámetrostermodinámicos
desuestado,comotemperatura,presiónocomposición.Observequeel
adjetivointernoimplicaquehayotrasclasesdeenergíaasociadasconel
sistema.

7. Porejemplo,todoelsistemapuedeestar
enmovimientoyporconsiguienteposeer
energíacinética(EC).Tambiénpuede
poseerenergíapotencial(EP).Entonces,
laenergíatotaldelsistema,Etotal,es
donde U representa la energía interna.

8. Energía
Energía
almacenada en un
objeto debido a su
posición. Un objeto
con esta última
energía tiene el
potencial para
moverse debido a
su posición.
Potencial
Energíaqueposeeun
cuerpoacausadesu
movimiento.Setratadela
capacidadotrabajoque
permitequeunobjeto
pasedeestarenreposo,
oquieto,amoverseauna
determinadavelocidad.
Cinética
Eslacapacidadquetienelamateriaparaproducirtrabajo,luz,
calor,quepuedemanifestarsededistintasformascomopuede
serlagravitatoria,cinética,química,eléctrica,magnética,
nuclear,entreotras.

9. Energías
Primarias Secundarias
Carbón
Petróleo
Solar
Eólica
Electricidad
Nuclear
Hidráulica
Geotérmica
Seconsideravectorenergéticoalas
sustanciasodispositivoscapacesde
almacenarenergíadetalmaneraque
estapuedaserliberadaenotrolugaro
momento posteriorde forma
controlada.

10. Funciones Termodinámicas
Energía
Interna
Entropía
Entalpía
Energía
libre de
Gibbs
Sonmagnitudes termodinámicas cuya variación no
depende de la forma o camino seguidos en la
transformación del sistema

11. Energía
Interna
Estaenergíainternaestáformadaporenergíasde
traslación,rotación,vibración,electrónicay
nuclear,asícomo por interacciones
intermoleculares.
Enlamayorpartedeloscasosqueveremos,el
sistemaestaráenreposo,ynoexistiráncampos
externos(porejemplo,eléctricosomagnéticos).
Entonces,tantoECcomoEPsoncero,yEtotal=U.
Parasimplificar,confrecuencia
llamaremosalaenergíainternasólo
“energía”,yescribiremossucambio,ΔU,
como:
dondeU2yU1sonlasenergíasinternas
delsistema,ensusestadosfinale
inicial,respectivamente.

12. Las diferencias entre la energía con respecto al calor y al
trabajo es que la energía siempre cambia en la misma cantidad
al ir de un estado a otro, independientemente de la naturaleza de
la trayectoria. Matemáticamente, la primera ley de la
termodinámica se puede expresar como:
indicanqueelcambiodeenergíainternaenunsistema,enunprocesodado,eslasumadel
intercambiodecalor,q,entreelsistemaysusalrededores,yeltrabajoefectuado,w,
sobre(opor)elsistema.

14. Entalpía
En el laboratorio, la mayor parte de los
procesos químicos y físicos se efectúan
bajo presión constante, y no a volumen
constante. En tales casos se escribe:
ΔU=q+w= qp-PΔV
o también
U2—U1= qp—P(V2—V1)
donde el subíndice pindica que el proceso se realiza a
presión constante.
Engeneral,cuandounsistemacambiadelestado1al
estado2,elcambiodeentalpíaesΔH=ΔU+Δ(PV)
Estaecuaciónseaplicasinosemantienenconstantesla
presiónnielvolumen.
Se refiere a la cantidad de calor cedida
o absorbida por una sustancia cuando
se disuelve en solución acuosa.

15. Energía térmica
transferida entre dos
sistemas a diferentes
temperaturas que entran
en contacto.
El calor se escribe con
el símboloqoQ, y
tiene unidades de
joules(J).
Calor específicoo más
formalmente lacapacidad
calorífica específicade una
sustancia.
En termodinámica,
eltrabajorealizado por un
sistema es la energía
transferida por el sistema a su
entorno.
Es una magnitud física que indica la capacidad de un
material para almacenar energía interna en forma
decalor.
Es la energía necesaria para incrementar en una
unidad detemperaturauna cantidad de sustancia;
usando el SI es la cantidad de joulesde energía
necesaria para elevar en un 1Klatemperaturade 1
kg de masa
Lafórmula de calor específico esc = C / m,
dondecrepresenta el calor específico la
sustancia,Cla capacidad térmica ymsu masa. De
modo que para obtener el calor específico es
necesario dividir la capacidad térmica entre la masa.

16. Caloreslatransferenciadeenergíaentredoscuerposqueestána
temperaturasdiferentes.Aligualqueeltrabajo,elcalorsóloapareceenel
contornodelsistema,ysedefineporunproceso.Laenergíasetransfiere
desdeunobjetomáscalientehaciaunomásfrío,porquehayuna
diferenciadetemperatura.Cuandolastemperaturasdelosdosobjetosson
iguales,yanoseaplicalapalabracalor.
Convección
Radicación
Conducción

17. Elcalornoesunapropiedaddelsistemaniesunafuncióndeestado.En
consecuencia,dependedelatrayectoria.
Supongamosqueseelevalatemperaturade100gdeaguaqueestabaa20°Cy1atm,
hasta30°Cy1atm.¿Cuáleslatransferenciadecalordeesteproceso?
Noconocemoslarespuesta,porquenose
especificaelproceso.Unamaneradeelevarla
temperaturaescalentarelaguaconunmechero
deBunsen,oeléctricamente,usandoun
calentadordeinmersión.Elcambiodecalor,q
(transferidodesdelosalrededoreshastael
sistema)seexpresacomo
q =msΔT
=(100g) (4.184 J ??????
−1
??????
−1
) (10 K)
= 4,184 J
donde ses el calor específico del agua.
NOTA: TABLAS DE CALORES ESPECIFICOS

18. Un proceso isobárico es aquel en el que la presión permanece constante
Si P = cte
Entonces:
W= PΔV
Por lo tanto,
Q= W+ ΔU

19. Un proceso isotérmico es aquel en el que la temperatura del sistema permanece contante.
Q = W
De la primera Ley:
Q= W + ΔU
Si ΔU = 0 (proceso
isotérmico) entonces
Q=W+0
Por lo tanto,
Q= W

20. Un proceso isocóricoes aquel en el que el volumen del sistema permanece constante.
Q = ΔU
De la primera Ley:
Q= W + ΔU
Si W= 0 (proceso
isocórico) entonces
Q= 0 + ΔU
Por lo tanto,
Q= ΔU

21. Un proceso adiabático es aquel en el que no hay intercambio de energía térmica
Qentre un sistema y sus alrededores W = -ΔU
De la primera Ley:
Q= W + ΔU
Si Q=0 (proceso
adiabático) entonces
0= W + ΔU
Por lo tanto,
W= -ΔU

22. Revesibilidad y trabajo Máximo
Termodinámica
Reversible
Irreversible
Proceso en el que el sistema
y el ambiente pueden
restablecerse exactamente
a los mismos estados
iniciales
en los que se encontraban
antes de que ocurriera el
proceso, si retrocedemos
a lo largo de la
trayectoria del proceso.
Es un proceso que no
esreversible. Los estados
intermedios de la
transformación no son de
equilibrio.
Eslacantidaddetrabajoqueun
sistematermodinámico puede
realizar.Elconceptoesútilenla
termodinámica de procesos
químicosotérmicosenla
ingenieríayenlaciencia.

23. V, P
Pext
W = -PextΔV:
Trabajo que efectúa el
Sistema sobre los
alrededores
(el sistema pierde energía)
W = PextΔV:
Trabajo que efectúan los
Alrededores sobre el
sistema
(el sistema gana energía)

24. Consideramosungasidealdentrodelacámaradeunpistón,dondeelvolumeninicialesde2Lyla
presiónInicialesde8atm.Supongamosqueelpistónseeleva(esdecir,queelsistemase
expande)yalcanzaunVolumenfinalde5.5L,oponiéndoseaunapresiónexternaconstantede1.75
atm.Supongamos,asimismo,quelaTemperaturasesconstanteduranteelproceso.
a)Calculeeltrabajoduranteelproceso
b)Calculelapresiónfinaldelgas
ΔV = Vf–Vi = 5.5 L –2 L = 3.5 L
Para calcular el trabajo que se lleva a cabo contra la presión externa constante, usaremos:
W = -PextΔV = -(1.75atm)(3.5L) = -6.13 L atm
-6.13 L٠atm
101.32??????
1??????٠??????????????????
= -621 J perdidos durante la expansión.
b) De acuerdo con la hipótesis de que se trata de un gas ideal, podemos aplicar la ley de Boylepara
calcular la presión final del gas
(2L)(8atm) = (5.5L)(Pf)
Pf= 2.91 atm

25. Suponiendo que se aplican 400J de energía a 7.50 g
de Hierro, ¿Cuál será el cambio de temperatura?
Utilícese c=0.450 J/gK.
q = m c ΔT

26. Una muestra de gas cambia su volumen de 4L a 6L
contra una presión externa de 1.5 atm, y
simultáneamente absorbe 1000J de calor. ¿Cuál es
el cambio de energía interna del sistema?

27. Un cilindro, que se llena con 0.0400 moles de una
gas ideal, se expande reversiblemente de 50mL a
375mL a una temperatura constante de 37°C.
conforme lo hace, absorbe 208J de energía en
forma de calor. Calcule q, w, ΔU yΔH para el
proceso.

28. Considere 1 mol de gas ideal a una presión inicial
de 1 atm y una temperatura inicial de 273.15K.
Supongamos que este se expande adiabáticamente
contra una presión de 0.435 atm hasta que su
volumen su duplica. Calcule el trabajo, la
temperatura final y el ΔU del proceso.

29. En un cambio adiabático reversible en 1 mol de un
gas monoatómico inerte, la presión varia de 2.44
atm a 0.338atm. Si la temperatura inicial es de
339K, ¿Cuál es la temperatura final?

31. Segunda
Ley de La
Termodinámica
El calor siempre se mueve
del objeto con mayor
temperatura al de menor
temperatura. También,
establece que durante un
proceso cíclico no toda la
energía térmica puede
convertirse íntegramente en
trabajo.
Tercera Ley de la
Termodinámica
La entropía de una
sustancia cristalina
perfecta es cero a
la temperatura del
cero absoluto.
absoluto de la
entropía.

32. TIPOS DE CICLOS TERMODINÁMICOS
RANKINE
CARNOT
ERICSSON
STIRLING
Se denomina ciclo
termodinámico a cualquier
serie de procesos
termodinámicos que, al
transcurso de todos ellos, el
sistema regresa a su estado
inicial.

33. •Tarea para entregar
CICLO DE CARNOT

34. Entropía
Magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para
producir trabajo
La segunda ley de
termodinámica
describe los
cambios a la
entropía (o
desorden) en un
sistema.
Es unamedida del desorden en un sistema termodinámico.
También se define como el posible número de maneras en las
que las partículas y su energía pueden ser distribuidas en
un sistema. Su unidad de medida es J·K
-1
mol
-1
.
ΔS > 0 si el proceso es irreversible y espontaneo
ΔS = 0 si el proceso es reversible
ΔS < 0 no se permite en un proceso que se lleva a cabo en un sistema aislado

35. Para una capacidad térmica constante
ΔS = C ln
????????????
????????????
Para gases ideales
ΔS = n R ln
????????????
????????????
ΔS = n R ln
????????????
????????????

36. Desigualdad de Calusius
Éstanosdicequelarelaciónexistenteentre
lascantidadesdecalorQiqueintercambian
diversasfuentesatemperaturasTiconun
sistemadeterminadoenunprocesocíclicoo
estacionariocumpleladesigualdad:
Qi/Ti≤0
Para demostrar esta desigualdad
consideremoselsistemaesquematizadoen
lafiguraenlaquediversasfuentes
térmicas,temperaturas T1,T2,...Ti...Tn,.,
intercambiancalorconunsistemayéste
produceuntrabajoWsinquehaya
incrementodesuenergíatotal.
donde la igualdad corresponde a ciclos
reversibles y la desigualdad a irreversibles.
Si es negativa: el proceso esirreversible.
Si esnula: el proceso esreversible.
Si lespositiva: el proceso esimposible.

37. Entropía en gases
Supongamosqueungassemantienea
unatemperaturaconstantede300K
mientrasabsorbe10Jdecalorenun
procesoreversible.
Primero consideramosΔSpara un
sistema que experimenta un proceso
reversible a una temperatura
constante.
ΔS = Q / T
ΔS= 10J/ 300K=
0,033J/K.
Si el gas pierde 5,0 J de calor; es decirQ= −5,0J
a la temperaturaT=200K�=200K, tenemos el
cambio de entropía del sistema dado por
ΔS= −5,0J/ 200K=
−0,025J/K.

38. Elcalorseañadelentamenteauntrozode
hielode50ga0°C0°Chastaquesederrita
completamenteenelaguaalamisma
temperatura.¿Cuáleselcambiodeentropía
delhielo?
El hielo se funde por la adición de calor:
Q=mLf= 50g×335J/g
=16,8kJ.
Enesteprocesoreversible,latemperaturadela
mezcladehieloyaguasefijaen0°Co273K.
AhoradesdeΔS=Q/T,elcambiodeentropíadel
hieloes
ΔS=16,8kJ/ 273K
=61,5J/K
cuando se funde con el agua a0°C
Durante un cambio de fase, la
temperatura es constante,

39. Entropía y espontaneidad
Puntos más importantes
•La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía del universo
siempre aumenta para un proceso espontáneo:
ΔS univ= ΔS sist+ ΔS alr> 0
•A temperatura y presión constantes, el cambio en la energía libre de
Gibbsse define como
ΔG = ΔH -TΔS
•ΔG es negativo, un proceso ocurrirá de manera espontánea, y se lo
conoce como exergónico.
•La espontaneidad de un proceso puede depender de la temperatura.