Cambios de estadoTrabajo en termodinámicaPrimera y segunda ley de termodinámica.

Josué David FritzFísica calor-ondas grupo 1

Concepto de fase (estado)• “Usamos el término fase (o estado) para

describir un estado específico de la materia, como sólido, líquido o gas.”

Cambio de fase• Se define como la transición de

un estado a otro.• Éstos se dan a una temperatura

dada, acompañado por lo general de absorción o emisión de calor, y cambios de volumen y densidad.

• El calor latente (L) se define como el calor requerido por masa; para fundir el elemento se define como calor latente de fusión, y para evaporarlo calor latente de vaporización.

Cambio de fase• El concepto de calor latente se da porque

la energía agregada o retirada no resulta en un cambio de temperatura.

• El concepto de calor de fusión se aplica cuando el cambio de estado es de sólido a líquido. Análogamente, el calor de vaporización se aplica cuando el cambio de estado es de líquido a gas.

• Matemáticamente, se define el calor latente así:

Siendo m la cantidad de masa de la sustancia y Q la cantidad de calor requerida por el cuerpo para el cambio de fase.

Tabla de calor de fusión y vaporización.

Ejemplo 1 (ejemplo 17.8 física universitaria Sears)• En el campo una geóloga bebe su café matutino

de una taza de Aluminio. La taza tiene una masa de 0.120 Kg e inicialmente está a 20.0°C cuando se vierte en ella 0.300 Kg de café que, inicialmente estaba a 70.0°C. ¿A qué temperatura alcanzarán la taza y el café el equilibrio térmico? (Suponga que el calor específico del café es el mismo del agua y que no hay intercambio de calor con el entorno).

Ejemplo 1 (ejemplo 17.8 física universitaria Sears)

La solución final de esta ecuación es de T= 66.0°C

Trabajo en termodinámica• Una posible definición de

trabajo en termodinámica sería la siguiente:

“El trabajo es una transferencia de energía a través de la frontera de un sistema asociada a un cambio en las variables macroscópicas.”Podemos entender el trabajo realizado por un gas en un cambio de volumen considerando sus moléculas.

Trabajo en termodinámica• Acorde a la figura:

dW= Fdx= pA dxPero:

Adx=dVSiendo dV el cambio infinitesimal de volumen del sistema. Por esto, se reescribe la ecuación como:

dW= pdVEn un cambio de V1 a V2;

Siendo esta formula el trabajo efectuado en un cambio de volumen.

Trabajo en termodinámica• Si el trabajo se realiza por el

entorno sobre el sistema, es positivo

• Si el trabajo es realizado por el sistema sobre el entorno, es negativo

Primera ley de la termodinámica• La primera ley de la

termodinámica establece que, cuando se agrega calor Q a un sistema mientras éste efectúa un trabajo W la energía interna U cambia en una cantidad igual a Q-W.

• Esta ley también puede plantearse para un sistema infinitesimal.

Ejemplo 2 (ejemplo 19.2 física universitaria Sears)• Un estudiante se propone comer un mantecado

de 900 calorías (con crema batida) y luego subir corriendo varios tramos de escaleras para quemar la energía que ingirió. ¿A qué altura debe ascender? Suponga que la masa del estudiante es 60.0 Kg.

Ejemplo 2 (ejemplo 19.2 física universitaria Sears)• SOLUCIÓN:

Primera ley de la termodinámica

La energía interna de cualquier sistema termodinámico depende exclusivamente de su estado. El cambio de energía interna durante cualquier proceso depende únicamente de los estados inicial y final, no de la trayectoria seguida. La energía interna de un sistema aislado es contante.

Ejemplo 3 (ejemplo 19.4 física universitaria Sears)• La gráfica muestra una serie

de procesos termodinámicos. En el proceso ab se agregan 150 J de calor al sistema. En el proceso bd se agregan otros 600 J. Calcule:

A. El cambio de energía interna en el proceso ab.

B. El cambio de energía interna en el proceso abd (azul claro).

C. El cambio de energía interna en el proceso acd (azul oscuro).

Máquinas térmicas• Una máquina térmica es un

dispositivo que toma energía por calor y, al funcionar en un proceso cíclico, expulsa una fracción de dicha energía mediante trabajo.

Máquinas térmicas• Si una máquina repite el mismo

ciclo una u otra vez, será la cantidad de energía absorbida por la máquina y será la cantidad de energía rechazada por la máquina durante un ciclo. El calor neto absorbido por ciclo viene dado por:

• La salida útil de la máquina es el trabajo neto efectuado por la sustancia de trabajo. Por la primera ley:

Eficiencia térmica• Las máquinas pueden no ser 100% eficientes,

pero se les puede medir su eficiencia, pero necesitamos saber ¿en qué es eficiencia térmica?

“la eficiencia térmica e de una máquina se define como la relación de trabajo neto invertido por una máquina durante un ciclo.”• Es la fracción de calor suministrado a la maquina

que sí se convierte en trabajo:

Eficiencia térmica• Si se sustituyen las fórmulas de W en la ecuación

anterior se tiene finalmente que:

Siendo un número “puro”, sin unidades. La fórmula anterior representa la eficiencia térmica de una maquina.

Ejemplo 4 (ejemplo 20.1 física universitaria Sears)• Un motor de gasolina de un camión

toma 10.000 J de calor y produce 2.000 J de trabajo mecánico por ciclo. El calor se obtiene quemando gasolina, cuyo calor de combustión es de .

A. Calcule la eficiencia térmica del motor.

B. ¿Cuánta calor se desecha en cada ciclo?

C. ¿Cuánta gasolina se desecha en cada ciclo?

D. Si el motor ejecuta 25 ciclos por segundo, ¿qué potencia desarrolla en watts y en hp?

E. ¿cuánta gasolina se quema por segundo? ¿Y por hora?

Ejemplo 4 (ejemplo 20.1 física universitaria Sears)

Segunda ley de la termodinámica• La segunda ley de la

termodinámica describe la direccionalidad de los procesos termodinámicos naturales y puede plantearse de varias formas equivalentes. La forma de Kelvin-Planck establece que:

“es imposible construir una máquina térmica que, funcionando en un ciclo, no produzca otro efecto que la entrada de energía por calor por depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo”.

Segunda ley de la termodinámica• El planteamiento de

máquina es que ningún proceso cíclico puede convertir calor totalmente en calor. el planteamiento de refrigerador es que ningún proceso cíclico puede transferir calor de un lugar mas frío a un lugar mas caliente sin aporte de trabajo mecánico.