TERMODINÁMICA

MARCO TEÓRICO

TERMODINÁMICA

Es la parte de la física que estudia las transferencias de calor, la conversión de la energía y la capacidad de los sistemas para producir trabajo. Las leyes de la termodinámica explican los comportamientos globales de los sistemas macroscópicos en situaciones de equilibrio. Tiene las siguientes características:

·   Se aplica al estudio de sistemas que contienen muchas partículas y no al estudio de moléculas, átomos o partículas subatómicas.

·      Estudia el sistema en situaciones de equilibrio, que son aquellas a las que sistema tiende a evolucionar y caracterizadas porque en ellas todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas.

·  Sus postulados son indemostrables, están basados en las experiencias y no en razonamientos teóricos.

Componentes de un sistema termodinámico:

  

Definición de los componentes termodinámicos:

Los sistemas termodinámicos: se clasifican según el grado de aislamiento que presentan con su entorno.​ Aplicando este criterio pueden darse tres clases de sistemas:

Sistema aislado: Es aquel que no intercambia ni materia ni energía con su entorno, es decir se encuentra en equilibrio termodinámico. Un ejemplo de esta clase podría ser un gas encerrado en un recipiente de paredes rígidas lo suficientemente gruesas (paredes adiabáticas) como para considerar que los intercambios de energía calorífica​ sean despreciables y que tampoco puede intercambiar energía en forma de trabajo.

Sistema cerrado: Es el que puede intercambiar energía pero no materia con el exterior. Multitud de sistemas se pueden englobar en esta clase. Una lata de sardinas también podría estar incluida en esta clasificación.

Sistema abierto: En esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden observarse en la vida cotidiana. Por ejemplo, un vehículo motorizado es un sistema abierto, ya que intercambia materia con el exterior cuando es cargado, o su conductor se introduce en su interior para conducirlo, o es provisto de combustible al repostarse, o se consideran los gases que emite por su tubo de escape pero, además, intercambia energía con el entorno.​ Solo hay que comprobar el calor que desprende el motor y sus inmediaciones o el trabajo que puede efectuar acarreando carga.

La frontera: (pared) de un sistema es el límite que señala la superficie de contacto que comparten el sistema y el ambiente. Se supone idealmente que la frontera tiene un grosor cero por lo que no contiene ni masa ni ocupa ningún volumen en el espacio. La frontera o límite de un sistema puede estar fijo o se puede mover.

Entorno: la región del universo exterior del sistema con la que puede intercambiar energía, calor o trabajo es llamada ambiente, alrededores o entorno.

La termodinámica se rige por lo establecido en sus cuatro principios o leyes fundamentales, formuladas por diversos científicos a lo largo de la historia de esta disciplina. Dichos principios o leyes son:

Primer principio, o Ley de la Conservación de la energía. Establece que la cantidad total de energía en cualquier sistema físico aislado de su entorno, será siempre la misma aunque pueda transformarse de una forma de energía a muchas otras diferentes. En menos palabras: “La energía no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse”.

Segundo principio, o Ley de la Entropía. Esta ley dicta que “la cantidad de entropía en el universo tiende a incrementarse en el tiempo”, lo cual significa que el grado de desorden de los sistemas (la entropía) aumenta una vez que alcancen un punto de equilibrio. Así, dado el tiempo suficiente, todos los sistemas tenderán al desequilibrio. Con esta ley se explica la irreversibilidad de los fenómenos físicos: una vez quemado un papel, no puede hacer que regrese a su forma inicial.

Tercer principio, o Ley del cero absoluto. Dicta que la entropía de un sistema que sea llevado al cero absoluto será siempre una constante definida, lo cual dicho en otras palabras significa que al llegar al cero absoluto (-273,15 °C o 0 K), los procesos de los sistemas físicos se detienen, y la entropía poseerá un valor mínimo constante.

Principio cero o Ley del equilibrio térmico. Se llama “ley cero” porque, si bien fue la última en postularse, los preceptos básicos y fundamentales que establece tienen prioridad sobre las otras tres leyes. Dicta que “Si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, deben estar también en equilibrio térmico entre sí”.

CALOR

En termodinámica, calor significa “transferencia de energía”. Esta transferencia se produce a través del rozamiento entre uno y otro cuerpo y siempre se traspasa del más caliente al más frío para lograr el equilibrio.

TIPOS DE CALOR

Latente. Es la energía necesaria para modificar la fase de determinado volumen de una sustancia, pasando de sustancias sólidas a líquidas o bien, de líquidas a gaseosas.

Sensible. Es el calor que genera una modificación en la temperatura de la sustancia que lo percibe. Si bien incrementa la temperatura del cuerpo, este calor no interfiere ni en su estado ni en su estructura molecular.

Seco. Consiste en un método térmico de esterilización que genera en los microorganismos que conforman al cuerpo un efecto similar al horneado.

De fusión. Consiste en esa energía que consigue cambiar un gramo de una sustancia sólida a estado líquido sin modificar su temperatura. Este calor tiene la capacidad de romper los enlaces sólidos de la materia.

Específico. Se trata de la cantidad de calor necesaria para incrementar en un grado la temperatura de la unidad de masa de un compuesto en un grado. En este caso, la energía proviene de la modificación de otras energías y es el resultado del movimiento vibratorio de átomos y moléculas que conforman las sustancias.

Específico molar. Se vincula con la constitución molecular interna de la sustancia.

El calor se puede transmitir de tres formas diferentes:

• Irradiación térmica. El calor se propaga a través de ondas magnéticas y, por lo tanto, los dos cuerpos no necesariamente deben estar en contacto.
• Conducción térmica. El calor se transmite por la agitación de las moléculas, lo que provoca que la temperatura incremente, que los líquidos se evaporen, que los sólidos se fundan y que los cuerpos se dilaten.
• Convección térmica. El calor se transfiere entre gases y líquidos.

TEMPERATURA:

La temperatura se refiere a una magnitud utilizada para medir la energía cinética de un sistema termodinámico, que se genera con los movimientos de las partículas que son parte del sistema. A mayor movimiento, aumenta la temperatura, mientras que a menor movimiento, la temperatura tiende a disminuir.

Las unidades de medida de temperatura son los grados Celsius (ºC), los grados Fahrenheit (ºF) y los grados Kelvin (K). El cero absoluto (0 K) corresponde a -273,15 Celsius.

El grado Rankine tiene su punto de cero absoluto a −459,67 °F, y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit. Usado comúnmente en EE.UU. como medida de temperatura termodinámica. 

Temperatura de fusión y ebullición

Cuando nos referimos al punto de fusión estamos hablando de la temperatura en la cual la materia se encuentra en estado sólido y luego se transforma a un estado líquido.

Del mismo modo, una vez que la materia en estado líquido continúa aumentando su temperatura, puede alcanzar su punto de ebullición, es decir que pasa de estado líquido a estado gaseoso.

El punto de fusión del agua es de 0 °C, y su punto de ebullición es de 100 °C, por lo cual mientras se encuentra a menos de 0° C se encuentra en estado sólido, en forma de hielo, y cuando esta entre 1 °C y 99 °C se encuentra estado líquido.

CONVERSIONES DE TEMPERATURA

De Kelvin a Celsius y viceversa

De Rankine a Fahrenheit y viceversa

De Fahrenheit a Celsius

De Celsius a Fahrenheit:

GRUPO 11

ELABORADO POR: CÉSAR PAULINO FLORES MORALES