4P- FISICA - Termodinamica

Termodinámica

1. CONCEPTO DE LA TERMODINÁMICA
La ENERGÍA, palabra griega que significa fuerza en acción, o capacidad para producir
trabajo, es el protagonista principal de la Termodinámica.
La TERMODINÁMICA es la Ciencia que estudia la conversión de unas formas de
energías en otras. En su sentido etimológico, podría decirse que trata del calor y del
trabajo, pero por extensión, de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan
relación con el calor y el trabajo.
La Termodinámica se desarrolla a partir de cuatro Principios o Leyes:
• Principio Cero: permite definir la temperatura como una propiedad.
• Primer Principio: define el concepto de energía como magnitud conservativa.
• Segundo Principio: define la entropía como magnitud no conservativa, una medida
de la dirección de los procesos.
• Tercer Principio: postula algunas propiedades en el cero absoluto de temperatura.
El desarrollo histórico de esta ciencia no ha sido ciertamente lineal.

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Que es la Termodinámica?

La Termodinámica es la rama de la Física que estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la energía, y cómo esta energía puede convertirse en trabajo (movimiento). Históricamente, la Termodinámica nació en el siglo XIX de la necesidad de mejorar el rendimiento de las primeras máquinas térmicas fabricadas por el hombre durante la Revolución Industrial.

La Termodinámica clásica (que es la que se tratará en estas páginas) se desarrolló antes de que la estructura atómica fuera descubierta (a finales del siglo XIX), por lo que los resultados que arroja y los principios que trata son independientes de la estructura atómica y molecular de la materia.

El punto de partida de la mayor parte de consideraciones termodinámicas son las llamadas leyes o principios de la Termodinámica. En términos sencillos, estas leyes definen cómo tienen lugar las transformaciones de energía. Con el tiempo, han llegado a ser de las leyes más importantes de la ciencia.

Antes de entrar en el estudio de los principios de la termodinámica, es necesario introducir algunas nociones preliminares, como qué es un sistema termodinámico, cómo se describe, qué tipo de transformaciones puede experimentar, etc. Estos conceptos están resumidos en el siguiente cuadro:

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Primer Principio de la Termodinámica.
 Un sistema termodinámico puede intercambiar energía con su entorno en forma detrabajo y de calor, y acumula energía en forma de energía interna. La relación entre estas tres magnitudes viene dada por el principio de conservación de la energía.

Para establecer el principio de conservación de la energía retomamos la ecuación estudiada en la página dedicada al estudio de sistemas de partículas que relaciona el trabajo de las fuerzas externas (W_ext) y la variación de energía propia (ΔU) :

Nombramos igual a la energía propia que a la energía interna porque coinciden, ya que no estamos considerando la traslación del centro de masas del sistema (energía cinética orbital).

Por otra parte, el trabajo de las fuerzas externas es el mismo que el realizado por el gas pero cambiado de signo: si el gas se expande realiza un trabajo (W) positivo, en contra de las fuerzas externas, que realizan un trabajo negativo; y a la inversa en el caso de una compresión. Además, ahora tenemos otra forma de suministrar energía a un sistema que es en forma de calor (Q).

Luego la expresión final queda:

Este enunciado del principio de conservación de la energía aplicado a sistemas termodinámicos se conoce como Primer Principio de la Termodinámica.

Para aclarar estos conceptos consideremos el siguiente ejemplo: un recipiente provisto de un pistón contiene un gas ideal que se encuentra en un cierto estado A. Cuando desde el exterior se le suministra calor al gas (Q>0) su temperatura aumenta y según la Ley de Joule, su energía interna también (U_B>U_A). El gas se expande por lo que realiza un trabajo positivo. El primer principio nos da la relación que deben cumplir estas magnitudes:

Si el recipiente tuviera paredes fijas, el gas no podría realizar trabajo, por lo que el calor suministrado se invertiría íntegramente en aumentar la energía interna. Si el recipiente estuviera aislado térmicamente del exterior (Q=0) el gas al expandirse realizaría un trabajo a costa de su energía interna, y en consecuencia esta última disminuiría (el gas se enfriaría).

Forma diferencial del Primer Principio

Si el proceso realizado por el gas es reversible, todos los estados intermedios son de equilibrio por lo que las variables termodinámicas están bien definidas en cada instante a lo largo de la transformación. En esta situación podemos escribir el primer principio de la siguiente manera:

La diferencia de símbolos empleados para designar la diferencial del calor, del trabajo y de la energía interna representa que la energía interna es una función de estado, mientras que el calor y el trabajo dependen de la transformación que describe un sistema.

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 Segunda Ley de la Termodinámica

 La Segunda Ley de la Termodinámica, establece 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.

Maquinas térmicas.

Eolípila de Herón

Las máquinas térmicas, son máquinas que transforman elcalor en trabajo. la primera máquina de este tipo fue unaturbina 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. Pistón de Papin 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 vacíoque 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. máquina de Newcomen 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. 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. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ley Cero. La ley cero, conocida con el nombre de la ley del equilibrio térmico fue enunciada en un principio por Maxwel y llevada a ley por Fowler y dice: “Dos  sistemas en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí”. El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura.  Esta ley es de gran importancia porque permitió definir a la temperatura como una propiedad termodinámica y no en función de las propiedades de una sustancia. La aplicación de la ley cero constituye un método para medir la temperatura de cualquier sistema escogiendo una propiedad del mismo que varíe con la temperatura con suficiente rapidez y que sea de fácil medición, llamada propiedad termométrica.  En el termómetro de vidrio esta propiedad es la altura alcanzada por el mercurio en el capilar de vidrio debido a la expansión térmica que sufre el mercurio por efecto de la temperatura.  Cuando  se alcanza el equilibrio térmico, ambos sistemas tienen la misma temperatura.

PROYECTO DEL PERIODO 

Aprenderemos a construir una lampara termodinámica.

Así que empecemos

MATERIALES

1. Una tabla delgada de madera
2. Palitos de valso gruesos.
3. Tornillos
4. Hilo
5. Topito para sostener la lampara.
6. Cartulina negra.
7. Regla, compás, lápiz , borrador y tijeras.
8. Con-tac de cebra (opcional)
9. 6 imanes pequeños
10. Cinta doble cara.

PROCEDIMIENTO

1. Primero cortamos los palitos de  valso, cortamos 2 de 30 cm y uno de 15 cm.
    luego los pegamos los 2 mas grandes a la tabla cor tornillos metiendo los por debajo y el otro lo pegamos      
    encima de esos 2 y le abrimos un orificio de abajo hacia arriba para meter el hilo.

 2. Ahora cogemos la cartulina y hacemos 2 círculos de 7 cm de radio , dentro  de los 2 hacemos  otro
     circulo de 6 cm de radio y dentro de 1 otro mas pequeño de 2 cm de radio.

3. Cortaremos en  el circulo el espacio que queda entre el circulo de 6 cm y el centro y aremos
    pequeños cortes en el espacio que queda entre 7 y 6 cm, para formar unas pestañitas y poder pegarlo al
    al cilindro, el otro circulo  lo dividiremos en 8 partes para formar las aspas, cortaremos los bordes  de
    cada una  y arriba le haremos una pestaña de 1 por 1.    

4. Cogeremos la cartulina y haremos un cilindro de 7 cm de radio y le haremos incisiones diagonales en la    
    parte de arriba para incrustar las pestañas de las aspas. en la  parte inferior aplicaremos col-bon a las
    pestañas del circulo con el orificio y lo pegaremos al cilindro, en el borde del circulo de la parte inferior
    por dentro pegaremos 3 imanes.

5. al circulo que tiene las aspas le aremos un pequeño orificio en el centro y metemos el hilo el cual
    pasaremos por el orificio hecho en la base anterior mente, al hilo le metemos un topito y le haremos un
    nudo para sostener la lampara. finalmente decoramos con el con-tac y terminamos nuestra lampara.

FUNCIONAMIENTO