Principios De La Termodinamica

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA ENERGIA

No fue sino hasta 1850 cuando empezó el concepto de la energía y su conservación.

Este principio fue establecido independientemente por Julius Mayer en Alemania, James Joule en Inglaterra y H. Von Helmholtz en Alemania.

La Primera Ley de la Termodinámica o Principio de la Conservación de la Energía, establece que:

De esta manera, siempre que desaparece una cantidad de una clase de energía, debe producirse una cantidad equivalente de otras clases.

Un sistema cerrado, en un estado inicial 1, con una energía interna E1, se puede llevar a un estado final 2, con una energía interna final E2, mediante un proceso en el que se suministre energía en forma de calor o trabajo:

Como la energía no puede crearse ni destruirse, la energía interna del estado final debe ser igual a la energía interna inicial, más la energía agregada en forma de calor o cualquier tipo de trabajo:

E2 = E1 + (Q - W)

Es decir, el cambio de energía interna es:

E2 - E1 = Q - W

Entonces la expresión de la 1ª Ley de la termodinámica para un sistema cerrado, es:

Para cambios infinitesimales:

Por convención:

Como un sistema aislado no intercambia materia ni energía, Q = 0 y W = 0, entonces la expresión de la primera Ley es:

La primera Ley de la Termodinámica es una ley empírica, que ha sido confirmada por cuidadosos experimentos.

Ejemplo:

3.- Tres moles de gas ideal se expanden isotérmicamente contra una presión constante de oposición de 1 atm desde 20 hasta 60 litros. Calcular, W, Q, ∆E y ∆H.

Solución:

Como la expansión es isotérmica, ∆E y ∆H son igual cero.

El trabajo de expansión contra una presión de oposición constante se calcula utilizando las siguientes fórmulas:

W = P∆V = (1 atm) (60 lt – 20 lt) = 40 lt atm

Finalmente de acuerdo a la primera ley de la termodinámica tenemos que

Q = W por lo tanto Q = 40 lt atm

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

INTRODUCCIÓN

En la naturaleza existen un gran número de procesos que sólo se llevan a cabo en un sentido y no en el contrario, dirigiéndose finalmente hacia el equilibrio. Por ejemplo, revisemos los siguientes procesos:

La Primera Ley de la Termodinámica no predice la dirección de tales procesos, sin embargo, la Segunda Ley de la Termodinámica, establece el sentido con que se llevan a cabo los procesos espontáneos en el Universo.

Por otra parte, la Segunda Ley de la Termodinámica tiene gran aplicación dentro del campo de la ingeniería, para predecir la eficiencia máxima de las máquinas térmicas, tales como las máquinas de vapor, los motores de combustión de los automóviles, las turbinas de gas, etc.

Principio de Espontaneidad: Un proceso espontáneo es un proceso que tiene una tendencia natural a producirse sin tener que ser realizado por una influencia externa. el proceso reverso a un cambio espontáneo es no espontáneo. El punto en el que cambia el sentido de la espontaneidad se le llama punto de equilibrio.

MAQUINAS TÉRMICAS

Eolípila de Herón

Las máquinas térmicas, son máquinas que transforman el calor en trabajo. la primera máquina de este tipo fue una turbina de vapor primitiva (eolípila) que se atribuye a Herón de Alejandría (siglo I). Este juguete ingenioso, consistía en una caldera de vapor de agua, conectada a una esfera hueca de metal provista de dos tubos acodados, de tal manera que al ser expelido el vapor, la esfera comenzaba a girar.

no tuvo ninguna aplicación práctica

No fue sino hasta 1690, cuando Denis Papin, desarrolló un pistón que se movía dentro de un cilindro impulsado por vapor de agua.

El pistón se eleva impulsado por el vapor y posteriormente, al enfriar el cilindro, el vapor se condensa produciendo un vacío que hace que el pistón descienda.

La idea de Papin fue puesta en práctica por Thomas Savery en 1698, al patentar la primera máquina de vapor que encontró un uso considerable en la extracción de agua de las minas de carbón y en la distribución de agua para casas habitación.

Su funcionamiento consiste esencialmente en inyectar vapor a un recipiente lleno de agua, hasta vaciar su contenido por un tubo colocado en la parte superior, controlado por una válvula.

Cuando el recipiente se vacía, cesa el suministro de vapor y el vapor remanente se condensa por medio de un chorro de agua fría, lo que provoca un vacío y permite que un tubo inferior, aspire agua del pozo.

La máquina de Savery fue subsecuentemente modificada de diversas maneras, todas ellas destinadas a mejorar la cantidad de agua y la altura a la que ésta podía elevarse

En 1705 Newcomen y Cawler, mejoraron la operación del pistón al forzar su caída por la acción de la presión atmosférica. Al hacerlo realizaba trabajo mecánico sobre una bomba que introducía el agua que se extraía.

La maquina de Newcomen fue superada por las innovaciones de James Watt en 1770. (aprieta el boton rojo on/off)

Posteriormente, en 1829 George Stephenson adaptó la máquina de Watt para hacer girar un eje y adaptarla para mover una locomotora.

La máquina vapor se transformó también en la máquina habitual para la navegación marina, lográndose alcanzar presiones de vapor muy altas y velocidades de pistón considerables.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

ENUNCIADOS CLASICOS DE LA SEGUNDA LEY

ENTROPIA Y PROBABILIDAD

La entropía de un sistema en un estado definido, puede relacionarse con la probabilidad de la existencia de dicho estado. De acuerdo con Boltzmann, la entropía es una función logarítmica de la probabilidad, como se expresa en la siguiente ecuación (que se encuentra esculpida en la lápida de Boltzmann ):

Dónde:

S = entropía (cal / º).

k = constante de Boltzman (cal / partícula º ).

Ω= probabilidad termodinámica del sistema.

La probabilidad termodinámica del sistema, está dada por el número de microestados compatibles con un macroestado dado. Un mayor número de microestados implica mayor "desorden" del sistema y entonces, se puede definir la entropía como la medida del grado de "desorden y caos" de un sistema.

La Segunda Ley de la Termodinámica afirma que en el Universo, los sistemas se dirigen espontáneamente de una situación organizada hacia una desorganizada, hasta alcanzar el equilibrio (estado de máxima entropía).

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