la termodinámica

La termodinámica es el estudio de los efectos de la energía en los sistemas en términos de sus estados de equilibrio y desequilibrio. La manera como el calor y otras formas de energía producen cambios en los sis- temas es el objeto de estudio de esta disciplina, que ha sido fundamental para la construcción de máquinas como los automóviles y los sistemas de refrigeración.
1. Los cambios en los sistemas termodinámicos se rigen por tres leyes fundamentales o principios que son las leyes cero, primera y segunda de la termodinámica.
  1. La ley cero de la termodinámica También llamada del equilibrio térmico , afirma que dos objetos a diferentes temperaturas que se ponen en contacto experimentan una transferencia de calor desde el más caliente hacia el más frío, hasta que los dos alcanzan la misma temperatura.
  2. La primera ley de la termodinámica Para entender la primera ley es clave conocer la ener- gía interna de un sistema, que es la energía que po- see en un momento determinado y forma parte de las variables de estado del sistema. Se representa con la letra U y se mide en Joules. La primera ley afirma que cuando sobre un sistema se aplica calor o se realiza trabajo, su energía inter- na debe aumentar; mientras que si se cede calor o el sistema realiza trabajo, la energía interna disminuye y crea una variación de U conocida como ∆U . La ley puede expresarse matemáticamente así: ∆U = Q ± W
    1. Los cambios en un sistema termodinámico pueden definirse con base en la forma como cambian sus va- riables de estado, entre las que están la presión, el vo- lumen, la temperatura, el calor y la energía interna. A estos cambios se les llama procesos térmicos y entre ellos se encuentran el proceso adiabático, el proceso isobárico, el proceso isovolumétrico o isocórico y el proceso isotérmico.
      1. Adiabático En este proceso, el sistema está aislado del entorno; por tanto, no se da transferencia de calor entre estos dos. Además, toda la energía interna del sistema es igual al trabajo realizado sobre este; la presión aumenta cuando el volumen se reduce y la temperatura también aumenta por el incremento de los choques entre las partículas.
      2. Isobárico En este proceso, cuando se agrega calor a un sistema este se expande, es decir, aumenta su volumen y se mantiene la misma presión, o sea que es constante (iso = igual; baras = presión).
      3. Isovolumétrico o isocórico En este proceso, si el sistema no puede expandirse la presión aumentará al agregársele calor, igual que la temperatura, y el volumen se mantiene constante.
      4. Isotérmico En este proceso, la temperatura puede mantenerse constante mientras las otras variables cambian. Al no presentarse variación de temperatura, la energía interna se mantiene constante. Así mismo, el calor suministrado al sistema es igual al trabajo realizado.
  3. La segunda ley de la termodinámica Esta ley analiza el comportamiento de la energía en forma cualitativa, pues se encarga de describir el or- den en el que ocurren los sucesos en la naturaleza y los efectos de ese orden sobre el comportamiento de cada uno de los componentes del universo. Algunas de las implicaciones prácticas de la segunda ley son las siguientes.
    1. 1. La dirección de los flujos de calor en un sistema debe ser siempre desde el objeto caliente hacia el objeto frío. Esto significa que nunca encontrarás un objeto enfriando a otro, sino que el calor flu- ye desde el objeto más caliente hacia el más frío haciendo que el objeto frío se caliente y el objeto caliente se enfríe.
    2. 2. Los procesos termodinámicos son irreversibles. Esto es debido a que una vez el calor fluye del foco caliente al frío no es posible que regrese al foco caliente; así que los cambios térmicos se dan en una sola dirección en el tiempo.
    3. 3. No es posible transformar el 100 % del calor agre- gado a un sistema en trabajo utilizable.
Los ciclos térmicos Si se organizan los procesos térmicos de manera que las condiciones iniciales de estado de un sistema pue- dan ser iguales al final de una serie de cambios, es po- sible crear ciclos en los que se realice trabajo a partir de cierta cantidad de calor. Estos ciclos teóricos pueden representarse con gráfi- cos de presión contra volumen o P vs. V. Entre ellos estan el de Otto, el de Diesel y el de Carnot.
1. Ciclo de Otto Es un ciclo de seis pasos que utiliza el calor de la combustión de una fuente para producir trabajo expandiendo un gas. Fue creado en 1876 por el ingeniero alemán Nikolaus August Otto (1832-1891).
2. Ciclo de Diesel En 1893, el ingeniero alemán Rudolf C. Karl Diesel (1858-1913) concibió este ciclo, el cual cumple la misma función que el de Otto, pero lo hace en fases más lentas y de mayor recorrido, o sea más apegado a la realidad.
3. Ciclo de Carnot Este es un ciclo ideal, es decir, que no puede reproducirse en la realidad. Representa la forma de utilizar una cantidad de trabajo W 1 para producir un trabajo W 2 sin agregar calor. Fue propuesto en 1824 por el físico francés Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), para demostrar que no es posible obtener el 100 % de rendimiento en un ciclo.
Las máquinas térmicas Una máquina térmica es un dispositivo que utiliza calor como fuente de energía y lo transforma en tra- bajo mecánico. No es posible que este proceso se dé completamente, por lo que no es posible construir máquinas 100 % eficientes. Este es el postulado de la segunda ley de la termodinámica. La formulación de los ciclos térmicos permitió pensar en la construcción de un dispositivo que utilizara calor y lo transformara en trabajo, es decir, en movimiento. Esta máquina, de- nominada máquina de vapor , fue la primera máquina térmica y fue la base de la Revolución Industrial y de la evolución de los transportes en el siglo XIX. Las máquinas térmicas pueden clasificarse en moto- res y bombas térmicas.
1. Los motores térmicos Un motor es una máquina que convierte el calor de la combustión en impulso mecánico. Los motores de 4 tiempos , presentes en los automóviles, motocicle- tas y embarcaciones, están asociados directamente con los ciclos térmicos de Otto y Diesel y utilizan gaso- lina o combustible diésel para obtener el calor.
2. La entropía La segunda ley de la termodinámica habla de la irre- versibilidad de los procesos térmicos y de que no es posible obtener el 100 % de trabajo de una cantidad de calor. Como la energía no puede destruirse, aquella que no se convierte en trabajo se explica mediante la entropía , que es una cantidad presente en el universo y corresponde al nivel de desorden de los sistemas. Cuando hay un proceso o un ciclo que transforma energía, parte de esa energía se disipa en el entorno aumentando el nivel de desorden del sistema, es de- cir, aumentando su entropía. La misma ley afirma que en un sistema sometido a cambios es obligatorio que la entropía aumente. Nunca puede disminuir porque haría imposible revertir un proceso hecho, pues dis- minuiría la entropía del universo y esta siempre debe aumentar. La entropía se representa con la letra S.
3. Las bombas térmicas Las bombas térmicas utilizan una fuente de trabajo mecánico para transportar el calor desde un lugar ca- liente hacia uno más frío. Es el principio de funciona- miento de los refrigeradores y las neveras, así como de los aires acondicionados. A través de un motor eléctri- co toman un gas frío y lo hacen circular por un espacio cerrado, de manera que el aire caliente del lugar ceda calor al gas, enfriándose en el proceso. Luego, este gas libera el calor en el exterior, pierde temperatura y queda listo para repetir el proceso
formas de propagacion del calor el calor se propaga de un cuerpo a otro de tres formas por conduccion, por convencion y por radicacion
1. conducción es la transferencia de calor entre cuerpos en estado sólido que entran en contacto y se encuentran a diferentes temperaturas. La energía se transfiere del cuerpo de mayor temperatura al cuerpo de menor temperatura, haciéndolos vibrar. Esto pro- duce que la energía cinética de las partículas del cuer- po con mayor temperatura disminuya y que aumente en las partículas del cuerpo con menor temperatura.
2. la convección es la transferencia de calor en fluidos, es decir, en líquidos y gases. Cuando las moléculas de la región inferior de un fluido se calientan y ascienden, transportan energía; mientras que las que están en la región superior descienden para ocupar el espacio de las moléculas que ascendieron.
3. La radiación es la transferencia de calor en la cual los cuerpos no se encuentran en contacto. A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no ne- cesita un medio material para transportarse, por tan- to, puede hacerlo en el vacío a la velocidad de la luz como ocurre en el espacio, en donde la energía viaja mediante ondas electromagnéticas y cuando estas chocan con algún objeto, sus partículas aumentan el nivel de vibración y la temperatura del objeto

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