Crónica termodinámica

CRÓNICA II TERMODINAMICA

Por: Jose Luis Murcia Gallego

Docente: Marina Garzón Barrios

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA NACIONAL

Facultad de ciencia y tecnología, licenciatura en Física, Crónica sobre lo tratado en clases de Termodinámica.

5 de enero del 2021

1.        Introducción        3

2.        Objetivos        4

3.        Contextualización:        5

4.        Cambios de estado        7

5.        Máquina de Vapor        8

6.        Capacidad Calorífica        11

7.        Experimento de la jeringa        12

8.        Calor de fusión/evaporización        13

9.        Ley de Boyle-Mariotte        15

10.        Ley de Charles        16

11.        Ley de Gay-Lussac        16

12.        Procesos Termodinámicos aplicados        17

13.        Primera ley de la Termodinámica        18

14.        Conclusiones        20

15.        Bibliografía        21

1. Introducción

La termodinámica es la rama de la física que estudia la energía y la transformación entre sus distintas manifestaciones macroscópicas, como el calor1, y su capacidad para producir un trabajo2. El punto de partida para la mayor parte de las consideraciones termodinámicas son las leyes de la termodinámica, y en este curso y su proceso de aprendizaje emos abordado varios temas de alta importancia en el estudio inicial, entre estos la primera ley de la termodinámica, la cual nos ha dado el abrebocas para el estudio y consideración de las siguientes leyes de la termodinámica en próximos semestres.

1 calor: Es la forma de energía que se transfiere espontáneamente entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas.

2 trabajo: el trabajo realizado por un sistema es energía transferida por el sistema a su entorno, mediante un mecanismo a través del cual el sistema puede ejercer espontáneamente fuerzas macroscópicas sobre su entorno.

1. Objetivos

•  Entendimiento sobre los cambios de estado, atreves del análisis de procesos.
• Adquirir nuevo conocimiento sobre variables como la temperatura, y la calorimetría.
• Funcionamiento desde el punto de vista mecánico y físico de las máquinas de vapor.
• Sobre las leyes de los gases.
• Procesos termodinámicos.
• Relación entre magnitudes microscópicas y partículas elementales para el trabajo en procesos termodinámicos.

1. Contextualización:

1. Calor latente: Hable de este tema más a profundidad en la crónica anterior, y mencione que el calor latente es la cantidad de energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización), como ejemplo el agua en la nevera o en la estufa.
2. Ley cero de la termodinámica: En palabras simples es el principio que dice, si se pone un objeto con cierta temperatura en contacto con otro a una temperatura distinta, ambos intercambian calor hasta que sus temperaturas se igualan, esto permite crear un concepto de escala de temperatura.
3. Temperatura: Es magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica, y es fundamental para entender en un grado básico el funcionamiento de cualquier tipo de motor.
4. Calorimetría:  Es la parte de la física que se encarga de medir la cantidad de calor generada o perdida en ciertos procesos físicos o químicos y se puede estudiar muy bien con las máquinas de vapor y otros tipos de motores, y en esta crónica hablare de ellos y tal vez un poco del motor de mi motocicleta.

1. Cambios de estado

En la crónica anterior pudimos comprender como se ven afectadas las sustancias con las diferentes temperatura, ello nos llevó a comprender el comportamiento térmico de algunas sustancias y los fenómenos que producen a cierta temperatura, ello me llevo a preguntarme sobre el funcionamiento de los motores que usan el cambio de estado de ciertos fluidos, y a leer parte del trabajo del doctor, físico y químico Joseph Black y sus observaciones en los cambios de estado del agua, marcando un inicio en la termodinámica.

Gracias a esto se empezó a dar un uso mecánico-comercial a el fluido más abundante de la tierra, el agua el cual en sus cambios de estado entre ellos el vapor, nos ha ayudado a avanzar como sociedad.

El cambio de estado ocurre sin modificar su composición esto lo hace muy específicamente el agua y a través del vapor y su correcta utilización se creó el primer motor a vapor.

1. Máquina de Vapor

La maquina de vapor es un motor, el cual transforma la energía térmica de una cantidad de agua en evaporación en energía mecánica para el movimiento de un pistón, el cual a su vez realizara otro trabajo, algo muy interesante para un usuario de motocicleta como yo, y en ese orden de ideas a quien primero debemos mencionar es al Dr. Joseph Black y las definiciones que otorgo en cuanto a calor especifico y a calor latente como cambio de estado en sus observaciones.

[pic 1]

Figura 1: Rolt, L. T. C.; J. S. Allen (1977). The Steam Engine of Thomas Newcomen. Huntington: MotorLand. p. 160. - Segunda máquina de vapor construida por Newcomen (1714).

Algo muy importante que observo fue que para cada sustancia de la naturaleza existía un calor especifico, esto desprende muchos datos interesantes de los calores específicos de algunos líquidos y gases:[pic 2]

Figura 2: Libro digital interactivo, Creador: juan Esteban Rivera García.

La primera máquina de vapor conocida fue la Eolípila:

[pic 3]

Figura 3) The entry under Eolípila in volume one of this work states "The cut is copied from Hero’s “Spritelier”, edited by Woodcroft, of London." - Knight's American Mechanical Dictionary, 1876.

Esta máquina transforma la energía térmica en energía mecánica, todas estas funcionan tomando calor de una fuente caliente y entregando a una fuente fría el que no se ha transformado en trabajo. Es así como la Eolípila, la fuente caliente es el mechero con alcohol. Sobre éste se encuentra una esfera con agua en su interior. Al encender el mechero se calienta el agua lo que pasa en forma de vapor a través de los pequeños tubos en forma de brazos salientes de la esfera, esto genera un movimiento constante de la esfera y lo hace muy interesante para posteriores estudios y la evolución de el motor de vapor, gas que tiene comportamientos regidos por algunas leyes que mocionare más adelante.

Fue de vital importancia en las clases la mención del señor Ingeniero James Watt, que hacia el año de 1814 escribe al respecto de la mejora de la maquina de vapor, pues en el año de 1764 repara una maquina de vapor de Newcomen en escocia, a lo cual en 1769 patenta.

1. Capacidad Calorífica

Algunos filósofos sabían que el equilibrio de calor era menor en algunas sustancias que en otras, ha esto se llamó capacidad calorífica de las sustancias o equilibrio de calor, en los textos podemos ver esta expresión:

[pic 4]

Donde C, es la capacidad calorífica, donde en general será la función de las variables de estado y Q el calor absorbido por el sistema, en Julios o Calorías y por último ΔT será la variación de la temperatura en Kelvin o Centígrados.

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