Primera ley de termodinámica

El carrete de Joule

En algún momento de la historia de la evolución de las concepciones físicas, estudiando máquinas especiales termiche1, miró por la conjetura de que el calor aunque sólo que una de las muchas formas en que se manifiesta la energía. Para probar esta conjetura servido como un experimento. Este experimento fue diseñado y desarrollado por JP Joule2:

El mecanismo de uno de sus experimentosse asemeja a un reloj pesos conectados a una vane carrete sumerge en agua contenida en un recipiente adiabático. Todo a temperatura ambiente. Arranque aumentando pesos, lo que da energía potencial para sistema3. El sistema puede ser consideran aisladas (DEF que no intercambiar o masa o energía con el exterior). [Del libro Einstein y Infeld: La evolución de la Física, BOLLATI Basic Books. Altamente recomendado].

Dejar ir, poco a poco peso hacia abajo - poniendo simultáneamente aspas girando - hasta llegar a su punto más bajo y el reloj se detienen. El hecho interesante es que la energía potencial inicial de los pesos, resulta enteramente en energía cinética de los pesos, como sucedería en una caída libre prontoDe hecho, la velocidad de caída de los pesos deja de crecer y se sitúa en un valor constante.La fuerza de peso es, de hecho, equilibrada por la fuerza de fricción ejercida por el agua sobre palette4.Parte de la energía potencial se transforma en energía cinética de rotación de la paleta. Sino éstos también, después de un tiempo, alcanzan una velocidad constante.La energía potencial de las masas es mayor que la suma de la energía cinética de las masas y la energía cinética de la paleta. ¿De dónde viene el resto de la energía? El termómetro marca un aumento de la temperatura, que normalmente se adhieren a el paso del calor. Los sistema está aislado (DEF véase más arriba) y así la única explicación es que la energía potencial inicial es responsable de temperatura más alta.Si puede causar el mismo efecto, es decir, el cambio de temperatura, ya sea por contacto con una fuente a diferentes temperaturas, es decir, por intercambio de calor, el cual a través del trabajo de una fuerza, entonces el calor y el trabajo son los tamaños equivalentes. en otra términos que el calor no es una forma de energía. Una forma de energía similar a trabajar.Al medir el aumento de temperatura (AT), conociendo la ley de correlación entre el aumento temperatura y calor absorbido (Q = c mH2O A), y sabiendo sacar el potencial energético no se convierte en energía ∙ ∙cinética, es ottiene5 el tipo de cambio deseado: el cambio energía potencial de 0.427 Kg elevó a 1 m por encima del suelo, es equivalente a una caloría (en minúsculas). Es decir, 1 cal - 4180 J 1 y J Cal - 4180_____________________________________1 DEF Máquina de calefacción: (o teórica) dispositivo físico que convierte calor en trabajo.https:// thescienceclassroom.wikispaces.com/James+Prescott+Joule3 DEF En física, el sistema plazo indica la porción del universo (que puede incluir la instrumentación, personas, etc., o estar compuesto por un solo átomo) objeto de la investigación científica. Lo que no está incluido el sistema se conoce como el medio ambiente y se considera sólo por sus efectos sobre el sistema. Los distinción entre sistema y entorno suele establecerse libremente por el investigador (u observador).Sistema, el medio ambiente y el experimentador son, cada vez que le dices a un fenomento física, por tener clara.4 Primera ley del movimiento: si y sólo si el resultado de las fuerzas que actúan sobre una partícula es la velocidad cero el punto material es constante.A partir de 5: Q = c mH2O Dt, obtenemos Q en calorías. Le ganamos a que este valor a la encontrada por la ∙ ∙eliminación de la energía potencial inicial (m g h) la energía cinética de las masas y de las paletas (uno que ∙ ∙tienen cuando la velocidad de caída de las masas y la velocidad de rotación de las paletas se vuelve constante), que está en Joule, y por lo que encuentra la relación entre julios y calorías.

Uno puede elevar la temperatura de una masa de agua, proporcionando que tanto el calor (como se también hicimos en el laboratorio) que con trabajo mecánico (como en el experimento descrito anteriormente. Usted puede convencerse a sí mismo poniendo el agua en una licuadora en casa y va a garantizar que, después de un tiempo 'que es en puré, su temperatura aumenta). El trabajo y el calor son formas de energía equivalente.

La energía interna

En la energía mecánica poseído por cuerpos es la suma de: la energía cinética (½ mv2) y, si las fuerzas son conservativas, la energía potencialEn un sistema cerrado (DEF que no intercambia materia con el exterior), en el que actúan sólo las fuerzas conservadoras, la energía mecánica se conserva: ETOT ECIN = + = const EPOTPara entender el primer principio de la termodinámica, tenemos que definir la energía interna de un cuerpo (E). DEF La energía interna está dada por la suma entre la energía potencial promedio de las moléculas y la energía cinética media de las moléculas.Para los gases perfectos, dado que las moléculas no interactúan entre sí, se le da la energía internaLa energía cinética de un medio (que, recordemos, es directamente proporcional a temperatura absoluta, que se expresa en grados Kelvin).El interior de la energía es una función de estado, es decir, sus cambios no dependen de tipo de transformaciones que experimenta el sistema, pero sólo por los valores de los parámetros de estado que la sistema tendrá al principio y al final de tales transformaciones.Generalmente energía interior contribuya: temperatura, volumen, presión y cantidad de la materia (medido en moles. DEF un mol de una sustancia corresponde a aproximadamente 1.024 partículas constituyentes elementales - moléculas, electrones, etc .. - de esa sustancia).Para los gases perfectos, sin embargo, la energía interna varía sólo de acuerdo a la temperatura y número de moles (la última página usted puede encontrar una demostración de este hecho).

Para llegar a una mejor caracterización de los gases perfectos, las definiciones de los cuales son y tres se encuentran en el archivo: "A medida que se pasa de grados Celsius a Kelvin y por qué", especificamos mejor la segunda (DEF FIS-MAT): un gas se dice perfecto cuando se respeta la ecuación: p = n V R T ∙ ∙(n es el número de moles y R es una constante de proporcionalidad); o la "ley de los gases idealesLas magnitudes que intervienen en la ecuación de estado de los gases perfectos son tres: volumen, temperatura y la presión. Mediante la colocación de una constante (y haciendo, por lo tanto, varían según las otras dos) se obtiene que:

Sap = costo, volumen y temperatura son directamente proporcionales - La ley de Gay-Lussac;Si V = presión y temperatura constante son directamente proporcionales - La ley de Gay-Lussac;Si T = constante presión y el volumen son inversamente proporcionales - Ley de Boyle.

La primera ley de la termodinámica

Considere un sistema que consta de un gas perfecto contenida en un pistón adiabático como la de la figura (la parte inferior de lael pistón se puede quitar, si es necesario poner en un resorte).Nótese bien El gas perfecto no está sujeta a los cambios de estado porque éstos implican la media energía potencial de las moléculas.

A. Si ponemos el cilindro en una fuente de calor con el pistón bloqueado (proceso puramente térmica), el calor fluye hacia / desde sistema provocando un cambio en? E interior de la energía.- Si el calor es de entrada, es decir, si Q> 0, la energía interna se incrementará y la misma cantidad proporcionada por el calor (no hay más intercambios de energía), es decir,? E> 0 y E = Q (especificando el signo es importante A veces hay magnitudes iguales en magnitud pero de signo discordante: frente).

- Si el calor se emite, es decir, si Q <0, la energía interna y se reducirá en la misma cantidad proporcionada por el calor, es decir,? E <0 y E = P En estas circunstancias se puede afirmar que, en un proceso puramente térmica: E = Q

B. Si eliminamos el cilindro de la fuente de luz, perdona la tapa en la pared adiabática causas menores y de pistón libre (proceso mecánico), la fuerza-peso6 laboral, un cambio en el interior de la energía? E.

- Si el motor está funcionando, es decir, si L> 0 (imagen Izquierda: compresión), la energía interna y se incrementará en la misma cuantía que la funcionan (hay otros intercambios de energía!), a saber? E> 0 y E = L.- Si el trabajo es duro, es decir, si L <0 (la imagen derecha: la expansión), la energía interna y disminuir en la misma cantidad proporcionada por trabajo, es decir,? E <0 y E = L.En estas circunstancias se puede afirmar que, en un puramente proceso mecánico: E = L

C. Para los procesos mixtos, térmico-mecánico, el cambio en la energía interna del sistema es tanto por el intercambio de calor y en el trabajo, a continuación: E = + ΣQ ΣL -Este informe se conoce como: la primera ley de la termodinámica y estados de esta manera: el cambio en la energía interna está dada por la suma algebraica del calor intercambiado por el gas con el exterior y de la suma algebraica de la labor de las fuerzas externas.El símbolo Σ (Sigma) es un capital griega, dice "la suma de (en cuanto a su derecha) "y se emplea en el caso de las cantidades discretas.La primera ley de la termodinámica es la formulación general del principio conservación de la energía, cuando se tiene en cuenta la equivalencia entre calor y trabajo.Si queremos considerar como la primera ley de la termodinámica desde el punto de vista de la gas, lo suficiente como para recordar lo que hemos especificado en Nota6: APG = - FEST.

ΔE = ΣQtot -ΣL(GAS)tot

Procesos cuasi estático y Clapeyron Plan de La primera ley de la termodinámica nos permite disponer de información sobre procesos termodinámicos que no podríamos tener otra manera.Antes de tratar con esta información, usted tiene que aclarar dos puntos:- ¿Qué es un proceso cuasi estático?- ¿Cuál es el plan de Clapeyron?Una transformación es un cambio en algo. En particular un sistema sufre una proceso termodinámico cuando al menos dos de las variables termodinámicas sistema (N, P, V, T) cambia el valor (sólo uno no es posible, ya que la ecuación deFue colocado en el informe). Por lo general, este cambio se produce abruptamente (causantes de cambios en otras variables) y porque el sistema de nuevo en un situación de equilibrio tiene que pasar el tiempo. En la situación de la transición entre los dos estados de equilibrio que no podemos atribuir valores numéricos a las variables del sistema, pero sólo indicar intervalos de pertenencia (ES 290 K <T <295 K).Las transformaciones son ideales transformaciones quasistatiche que usted piensa que son el futuro por sucesivas etapas de equilibrio. Para lograr estas transformaciones, hechos de micro-transformaciones posteriores, las magnitudes físicas que caracterizan el fenómeno debe cambiar de forma continua (en un sentido matemático), y que se realiza en un tiempo infinito, o sin embargo (con un enfoque más para física), dentro de un muy lento; de ahí el nombre.

Las transformaciones pueden ser representados quasistatiche mediar porciones de curva continúa el plan de Clapeyron: un plano cartesiano en el que la orden haya presión por ejemplo, a la abscisa el volumen V. Para cada par (V, P), gracias a la ecuación de estado del gas perfecto, está asociado de forma única también una temperatura T, si y sólo si el sistema está equilibrio. Cada punto en el plano de ClapeyronCorresponde a un estado de equilibrio.

Además, como se puede ver en la figura, el relación p = n V R T se deduce que los estados en los ∙ ∙ ∙que la la temperatura es la misma mentira a lo largo de una rama de hipérbola referido a los ejes cartesianos (en geometría analítica tales curvas tienen ecuación: y x = k, ¿recuerdas?). Dicho de otra ∙manera, una transformación que se produce a una temperatura constante (isotérmica) está representada por una rama de la hipérbola equilátera.Por último, pero no menos importante, para encontrar estados al aumentar la temperatura, por lo tanto, tendrá que trasladarse a otra hipérbole. Como se indica por la flecha en la figura.

Aplicaciones de la primera ley de la termodinámica

En una transformación termodinámica dijimos que cambia el valor de al menos dos cambios termodinámicos y entonces la energía interna del sistema. Vamos a estudiar las transformaciones que dejan constante, de vez en cuando, una de las variables en juego. Dependiendo de lo que esa variable constantes transformaciones que dejan que toman cambios de nombre isobaras o Isocora isotermas.En una representación gráfica. DEF Tenga en cuenta que, a partir de un estado A y por primera expansión (VB> VA) isoterma (AB), entonces un contrazione7 (VC <VB) isobárica (BC) y luego compresión (pA> PC) isocórico (CA), puede volver al estado de la salida. Una transformación del tipo descrito (ABCA) se llama transformación cíclica.Las transformaciones isotermas son las que tienen lugar a una temperatura constante, a continuación, con un cambio de temperatura nada, entonces, como para una energía gas perfecto temperatura interna y absoluta son directamente proporcionales, con una variación de nada interior de la energía (E = 0). El El principio nos dice que entonces: Q = 0 + LEST saber: Q = - LEST

En una isoterma expansión del calor absorbido (Q> 0) se transforma por completo en el trabajo fuerzas externas resistentes (LEST <0); mientras que a una contracción (LEST> 0) y isotérmico que necesita para restar una cantidad de calor (Q <0) la igualdad, en la forma, a trabajar. En ambos casos, el trabajo y el calor son opuestos. Más significativo a considerar la fuerza ejercida por la presión del gas, porque = Q AGL: el calor absorbido se transforma en espacios de trabajo (Ampliación) y viceversa (contracción).

- Las transformaciones isocóricas están llevando a cabo a volumen constante. Ya examinado en el caso A

- Una transformación isobárica es un proceso cuasi estático que se produce a presión constante. En particular, podemos imaginar que te lo arreglen, manteniendo el número de pequeñas pesas que se admiten en el pistón. Colocar el cilindro que contiene gas perfecto contacto de las fuentes de calor que están a temperaturas ligeramente por encima de la otra, incluso si el número de pequeños pesos es constante, el gas se expandirá y el pistón se moverá en respuesta al cambio de la energía interna del gas. El trabajo L, fabricado por GAS mientras el pistón (superficie de S básica) se eleva a una altura h, viene dada por: L = FGAS h. Desde S =p / F tenemos: P= F/S , entonces: L = p S h∙ ∙ ∙

El producto S h es igual a la variación de volumen? V sufrido por la expansión GAS. Así que nos dio el ∙valor de L en función de sol variables termodinámicas: L = p ∙Δ V Este trabajo tiene un signo positivo si el procesamiento expansión:? V> 0 y negativo si el procesamiento una contracción:? V <0. En consonancia con lo que se ha dicho antes (recordemos: APG = - FEST).

La primera ley de la termodinámica no da información específica sobre esta tipo de transformaciones. Pero vamos a escribir: E = Q - P ∙Δ V

Este trabajo tiene un signo positivo si el procesamiento expansión:? V> 0 y negativo si el procesamiento una contracción:? V <0. En consonancia con lo que se ha dicho antes (recordemos: APG = - FEST).

La primera ley de la termodinámica no da información específica sobre esta tipo de transformaciones. Pero vamos a escribir: E = Q - P ∙ Δ V último, pero no menos las transformaciones adiabáticas, que no se caracterizan por dejando única constante de las cantidades de estado pero impidiendo el paso del calor. Nosotros ya mirado en este tipo de transformación: el caso B.

En la figura la comparación entre: la expansión isotérmica (1-2), una expansión adiabática (2-3), una contracción isotérmica (3-4) y una contracción adiabática (4-1). Es una transformación cíclica llamado ciclo de Carnot. ¿Por qué crees expansiones temperatura adiabática "colapsa" mientras que la contracción "Prancing"? Un poco "de razonamiento no funciona nunca está de más ...

Otra pregunta. Porque si Comparamos y expansión isotérmica isobárica partida expansión por el estado e involucrar a la mismo cambio en el volumen, en los estados llegada la temperatura es muy mayor expansión isobárica (lo hace diseño)?

Anexo 1

Dim "experimental" de la relación entre la energía interna y temperatura absoluta en un gas ideal: la expansión libre La energía interna de un gas (nos ocupamos de gas en este momento...) es una función de estado, que depende sólo del valor de las propiedades termodinámicas del gas y no por transformaciones que esta ha seguido para llegar a este estado. En principio, lo que puede ser una función en cuatro variables, es decir: U = f (n, p, V, T) En un gas perfecto, ya que esto, por definición, se describe por la ecuación de estado: pV = nRT, la energía interna se convierte en función de los tres parámetros, tal como se establece de tres el cuarto parámetro se determina. Por ejemplo, podría ser U = f (n, p, T). Todavía es una función complicada... Pero supongamos que usted puede hacer el siguiente experimento: tomamos un contenedor

ADIABÁTICO de vacío dividida en dos zonas por una pared móvil. Colocar en uno de los dos unas zonas de gas. Abrimos obturador la pared móvil (el dibujo muestra la apertura de un agujero, sería aún mejor que ser capaz de tirar de la pared).

La presión de gas y volumen ocupado varían (la volumen duplica), entonces tenemos un transformación. Será un proceso cuasi estático? Sabemos lo que va a pasar a decir algo y la presión la temperatura?

NO: la transformación no es cuasi estático y, con nuestra información, NO: no puedo decir nada con respecto a la presión y la temperatura.

Después de que el tiempo necesario para que el sistema alcance una nueva situación de equilibrio, si pudiéramos entrar en el contenedor de un termómetro, encontraría que cuanto más el gas se aproxima a las condiciones en las que un pozo de gas reales se aproxima a un gas perfecto, menor es la disminución de la temperatura detectada.

Volumen y rango de presión y la temperatura se mantiene "constante". ¿Qué sucede con la En el interior? El sistema es aislado: no hay calor y no "sufren" de trabajo. Por lo tanto el cambio en la energía interna es cero:? U = 0.

Por tanto, podemos concluir que la energía interna de un gas ideal, no está vinculado presión o volumen (porque estos variando la energía interna en lugar sigue siendo sin cambios), pero sólo la temperatura y el número de moles. U = f (n, T)