Reporte de laboratorio Termodinámica y energía

INTRODUCCIÓN:

El estudio de la termodinámica y el electromagnetismo es fundamental para comprender los principios que explican cómo funcionan los fenómenos físicos y tecnológicos. Estos conceptos no solo permiten explicar el comportamiento de sistemas tanto naturales como artificiales, sino que también son esenciales para desarrollar soluciones aplicadas en diversas áreas de la ingeniería.

Comprender los fundamentos teóricos de estas disciplinas es el primer paso para su aplicación práctica, ya que proporciona las herramientas necesarias para analizar y resolver problemas del mundo real. Al llevar estos conceptos a la práctica, es posible validar modelos teóricos, adquirir una visión más integral de su utilidad y explorar aplicaciones innovadoras en campos como la generación de energía, el diseño de circuitos eléctricos y el desarrollo de tecnologías sostenibles.

Conocer y aplicar estos principios no solo refuerza la formación académica, sino que también impulsa el desarrollo de habilidades críticas para enfrentar los desafíos tecnológicos actuales.

1. TERMODINÁMICA Y ENERGÍA

La termodinámica es una rama de la física que se ocupa del calor, el trabajo y la temperatura, y su relación con la energía, la entropía y las propiedades físicas de la materia y la radiación.

 Los conceptos cubiertos por la termodinámica incluyen:

• Calor: el calor es una forma de energía que puede transferirse de una entidad de mayor temperatura a otra.
• Temperatura: la temperatura es la forma en que se mide el calor en grados y se puede expresar en Fahrenheit, Celsius o Kelvin.
• Entropía: La entropía se refiere al desorden de los objetos en el universo, y la tendencia que dichos objetos tienen de volverse más desordenados con el tiempo.

El comportamiento de estas cantidades se rige por las leyes de la termodinámica, las cuales son:

• Ley 0 de la termodinámica
• Primera ley de la termodinámica
• Segunda ley de la termodinámica
• Tercera ley de la termodinámica

La energía es la capacidad que tiene la materia para producir trabajo, luz, calor, que puede manifestarse de distintas formas como puede ser la gravitatoria, cinética, química, eléctrica, magnética, nuclear, entre otras.

Se clasifican en diversos rubros, sin embargo, las más relacionadas son:

• Energía Potencial: Es la energía contenida en un sistema físico o en un objeto y que puede luego transformarse en otras formas de energía
• Energía cinética: Es la energía que poseen los cuerpos que están en movimiento, que tienen una velocidad. Si un objeto está quieto, su energía cinética es nula.
• Energía mecánica: es la suma de la energía cinética y la energía potencial. Es decir, la energía mecánica de un cuerpo consiste en la energía relacionada con su movimiento más la energía relacionada con su posición.
• Energía calórica o térmica: Es la energía que se da con transferencias de energía causadas por las diferencias de temperatura

2. SISTEMAS TERMODINÁMICOS

Un sistema termodinámico (también denominado sustancia de trabajo) se define como la parte del universo objeto de estudio, es una región del universo elegida para el estudio o análisis termodinámico. Toma nota de los modos en que la energía cambia o se preserva y, al mismo tiempo, de sus intercambios de materia y/o energía con el entorno o con otros sistemas semejantes (de haberlos). Se trata, pues, de un método de estudio de la termodinámica.

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

Por ejemplo, estos sistemas pueden ser una célula, una persona, el vapor de una máquina de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un motor térmico, la atmósfera terrestre, etc.

El sistema termodinámico puede estar separado del resto del universo (denominado alrededores del sistema) por paredes reales o imaginarias. En este último caso, el sistema objeto de estudio sería, por ejemplo, una parte de un sistema más grande. Las paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes (llamadas paredes adiabáticas) o permitir el flujo de calor (diatérmicas).

Dependiendo si materia o la energía puede o no pueden abandonar o acceder al sistema, los sistemas termodinámicos pueden ser considerados:

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• Abiertos: pueden intercambiar materia y energía con el ambiente exterior.

Por ejemplo: Cualquier organismo vivo constituye un claro ejemplo de sistema abierto, intercambia materia y energía (nutrientes y desechos) con su entorno.

• Cerrados: es aquel en el que la materia no puede salir o entrar en el sistema, pero la energía (en forma de calor o trabajo) puede cruzar la frontera del sistema y salir o entrar en él. Esto es pueden intercambiar materia y energía con el ambiente exterior. Un ejemplo de sistema cerrado lo constituye un gas encerrado por un pistón en un cilindro que es calentado por una fuente externa de calor.

• Aislados: Cuando la energía no puede cruzar tampoco el límite del sistema. No intercambian materia y energía con el exterior. Un ejemplo de sistema cerrado lo constituye un recipiente cerrado que se encuentra térmica, mecánica y eléctricamente aislado de su entorno.

Cuando un sistema está aislado y se le deja evolucionar un tiempo suficiente, se observa que las variables termodinámicas que describen su estado no varían. La temperatura en todos los puntos del sistema es la misma, así como la presión. En esta situación se dice que el sistema está en equilibrio termodinámico.

En Termodinámica se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando las variables intensivas que describen su estado no varían a lo largo del tiempo. Cuando un sistema no está aislado, el equilibrio termodinámico se define en relación con los alrededores del sistema. Para que un sistema esté en equilibrio, los valores de las variables que describen su estado deben tomar el mismo valor para el sistema y para sus alrededores. Cuando un sistema cerrado está en equilibrio, debe estar simultáneamente en equilibrio térmico y mecánico.

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