TERMODINÁMICA.
La Termodinámica es la rama de la
Física que estudia a nivel
macroscópico las transformaciones de la energía, y cómo esta
energía puede convertirse en trabajo (movimiento).
Históricamente,
la Termodinámica nació en el siglo XIX de la necesidad de mejorar el
rendimiento de las primeras máquinas térmicas fabricadas por el hombre durante
la Revolución Industrial.
La
Termodinámica clásica se desarrolló antes de que la estructura atómica fuera
descubierta (a finales del siglo XIX), por lo que los resultados que arroja y
los principios que trata son
independientes de la estructura atómica y molecular de la materia.
El punto
de partida de la mayor parte de consideraciones termodinámicas son las llamadas leyes o principios de la Termodinámica.
En términos sencillos, estas leyes definen cómo tienen lugar las
transformaciones de energía. Con el tiempo, han llegado a ser de las leyes más
importantes de la ciencia.
Sistema Termodinámico
Un sistema termodinámico (también
denominado sustancia de trabajo)
se define como la parte del universo objeto de estudio
Los sistemas
termodinámicos pueden ser aislados, cerrados o abiertos.
·
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.
Procesos
adiabáticos
El proceso de compresión o expansión de un gas durante el cual no entra ni sale calor del
sistema se describe como adiabático("impasible",
en griego).
Un ejemplo
extraordinario de este calentamiento adiabático es el "Chinook" un viejo
que sopla de las montañas rocallosas sobre la gran planicie. La atmosfera
comprime el aire frio que desciende por la ladera de las montañas y este se
calienta considerablemente.
Ley cero de la termodinámica
La ley cero de la
termodinámica permite establecer el concepto de temperatura. La ley cero de la
termodinámica establece que, cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico con
un tercero, estos están a su vez en equilibrio térmico entre sí.
Primera
ley de la termodinámica
"La energía
no se crea ni se destruye" fue propuesto por Nicolás Leonard Sadi Carnot
en 1824. En términos generales, se expresa de la siguiente manera:
Siempre que
un sistema recibe calor, este se transforma en una
cantidad igual de alguna otra forma de energía.
Así pues, en
términos más específicos la primera ley de la termodinámica establece que
Calor
suministrado= aumento en la + trabajo externo realizado
Energía interna
por el sistema
La primera ley de
la termodinámica es razonable. Así pues vemos que si suministramos una cierta
cantidad de calor a una máquina de vapor de agua y el resto se transforma en
trabajo mecánico.
La primera ley de
la termodinámica es simplemente una versión térmica de la ley de conservación
de la energía.
Segunda
ley de la termodinámica
Se enuncia de
muchas maneras, pero la más sencilla es esta:
"el calor
jamás fluye espontáneamente de un objeto frio a un objeto caliente"
El calor fluye en
un solo sentido: cuesta abajo, de lo caliente a lo frio.
El sentido de flujo del calor va de lo
caliente a lo frio. Se puede hacer que el calor fluya en sentido contrario,
pero solo a expensas de un esfuerzo externo, como en el caso de una bomba de
calor que eleva la temperatura del aire, o de los acondicionadores de aire que
reducen su temperatura. Sin un esfuerzo externo, el flujo de calor va de lo
caliente a lo frio.
Maquinas térmicas
y la segunda ley
Todo el trabajo
que realizamos para vencer la fricción se convierte en calor. Pero el proceso
inverso, la transformación total de calor en trabajo, es imposible. Lo más que
se puede hacer es convertir parte del calor en trabajo mecánico. La primera
máquina térmica que lo consiguió fue la máquina de vapor, inventada alrededor
del año 1700.
Una maquina
térmica es cualquier dispositivo que transforma energía interna en trabajo
mecánico.
En 1824 el
ingeniero francés Sadi Carnot analizo determinadamente los ciclos de
comprensión y, expansión de una maquina térmica y llevo a acabo un
descubrimiento fundamental. Carnot demostró que la fracción máxima de calor que
se puede transformar en trabajo útil, aun en condiciones ideales, depende de
las diferencias de temperatura entre el depósito caliente y el sumidero frio.
Su ecuación proporciona la eficiencia ideal, o eficiencia de Carnot de una maquina
térmica
La ecuación de
Carnot establece el límite superior de eficiencia de toda máquina térmica.
Cuando más alta es la temperatura de operación (en comparación de temperatura
de escape) de una maquina térmica cualquiera, ya sea el motor de un automóvil
ordinario, el de un barco que funciona con energía
nuclear o el de un avión a
reacción, mayor es la eficiencia de esta máquina.
En este sentido más amplio, podemos enunciar
la segunda ley de otra manera:
"los sistemas
naturales tienden a avanzar hacia estados de mayor desorden".
La idea de que la
anergia ordenada tiende a transformarse en energía desordenada está contenida
en el concepto de entropía. La entropía es la medida de la cantidad de
desorden. Si el desorden aumenta, la entropía aumenta. La segunda ley
estableces que en los procesos naturales la entropía aumenta siempre a la
larga. Las moléculas de un gas que escapan de un frasco pasan de un estado relativamente ordenado a un estado
desordenado. Con el tiempo, las estructuras organizadas se convierten en ruinas
desorganizadas.
.
La entropía se
puede expresar como una ecuación matemática que dice que el aumento de entropía, s , en un sistema termodinámico
ideal es igual a la cantidad de calor suministrado al sistema, Q , dividida entre la
temperatura, T, del sistema: S= Q/T.
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