Termodinamica. Sesión : 2 Energía, trabajo, calor, potencia y ley cero de la termodinámica.

Objetivo

En este tema el alumno definirá los conceptos de energía, trabajo, calor y potencia. Identificará las unidades de medida de las variables mencionadas con anterioridad, convertirá unidades de medida de energía, trabajo, calor y potencia en los diferentes sistemas de unidades de medida como son del sistema inglés al métrico y viceversa.

Explicará la ley cero de la termodinámica y determinará el equilibrio térmico  de un sistema termodinámico.

Temario

Objetivo        2

Introducción        3

1 Energía, trabajo, calor y potencia        4

1.1 Definir los conceptos de energía, trabajo, calor y potencia        4

1.2 Energía        7

1.3 Tipos de energía        9

1.4 Trabajo        13

1.5 Potencia        14

1.6  Calor específico.        17

2 Ley cero de la termodinámica        18

Conclusión        20

Glosario        20

Referencias bibliográficas        21

Introducción

Los conceptos de energía, trabajo, calor y potencia, tienen una relación muy importante entre ellos, de tal suerte que podemos afirmar, sin temor a equivocarnos, que no podemos determinar la potencia de una máquina o equipo, si no existe una energía capaz de generar un trabajo y en el proceso de generar trabajo existen interacciones de calor, generado este último por la utilización de la energía, y como no existen máquinas, cuya eficiencia sea del 100 %, pues habrá una pérdida de energía perdida principalmente en forma de calor. El concepto de eficiencia se verá en temas posteriores.

En esta sesión se ven ejemplos donde se calcula el trabajo, la potencia, a nivel de concepto, ya en temas posteriores, se verá en sistemas termodinámicos más complejos.

Por último, en esta sesión se explicará y se definirá, la primera ley de la termodinámica, que es una ley que explica el concepto de “equilibrio térmico”, cuya aplicación principal es de los instrumentos llamados tonómetros.

1 Energía, trabajo, calor y potencia

En este punto se hablará de los conceptos que tienen relación con la energía, con el trabajo, y la potencia. Hablaremos de la materia, de la fuerza, entre otros.

1.1 Definir los conceptos de energía, trabajo, calor y potencia

Materia

En ciencia, materia es un término general que se aplica a todo lo que ocupa espacio y posee los atributos de gravedad e inercia.

 En la física clásica, la materia y la energía se consideraban dos conceptos diferentes que estaban detrás de todos los fenómenos físicos. Los físicos modernos, sin embargo, han demostrado que es posible transformar la materia en energía y viceversa, con lo que han acabado con la diferenciación clásica entre ambos conceptos.

Fuerza

Según la segunda ley de Newton: “la fuerza es el producto de la masa por la aceleración (F = m.a), es decir, si despejamos la aceleración (a = F/m), esta será directamente proporcional a la fuerza aplicada, e inversamente proporcional a su masa”

En física, se define como cualquier acción o influencia que modifica el estado de reposo o de movimiento de un objeto. Las fuerzas se miden por los efectos que producen, es decir, a partir de las deformaciones o cambios de movimiento que producen sobre los objetos.

[pic 2]

Un dinamómetro (como la imagen) es un instrumento con un muelle o resorte graduado para distintas fuerzas, cuyo módulo viene indicado en una escala.

En el SI, la fuerza se mide en Newtons (N); en el sistema inglés, la fuerza se mide en libras fuerza (Lbf). (Cengel & Boles, 2012)

Es importante mencionar que el peso puede fungir como una fuerza, de tal manera que un peso puede realizar trabajo, cuando este modifica la posición de un objeto, ya sea que lo levante, lo empuje o cualquier acción, que haga que cambie de posición.

Existe otra unidad de medida, aparte de las ya mencionadas (Newtons y Lbf), estos son los kilogramos fuerza (kgf), y se obtiene al multiplicar la masa de un objeto, por el valor de la gravedad local (9.806 kg-m/s2), y expresarlo en kgf, un kgf es igual a 9.806 N.

Ejemplo

Una niña empuja una caja con una fuerza 200N, si caja tiene un peso de 150 N ¿Cuál es la aceleración que adquiere la caja? (despreciar las fuerzas de rozamiento, entre la caja y el suelo)[pic 3]

Datos:

F = 200 N (fuerza)

W = 150 N (peso)

a =?  (Aceleración)

Fórmula:

[pic 4]

Se despeja la variable  a

a = F / m

Es necesario calcular la masa a partir del peso de la caja.

W = mg (masa por gravedad), se despeja m, dividiendo W entre la g

m = 150 kg-m/s2/ 9.806 m/s2[pic 5][pic 6]

m = 15.296 kg

Sustituyendo valores de las variables:

a = 200 kg-m/s2 /15.296 kg[pic 7][pic 8]

[pic 9]

1.2 Energía

La energía es un concepto central en termodinámica, sin embargo, la noción de energía como la capacidad de efectuar un trabajo no es una definición satisfactoria desde el punto de vista termodinámico.

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