¿Que es la termodinámica ?
La termodinámica:es la rama de la física que estudia las transferencias de energía entre los sistemas físicos.
Uno de los principales elementos que tenemos para su estudio son: Las leyes de la termodinámica. Estas leyes definen la forma en que la energía puede ser intercambiada entre sistemas físicos en forma de calor o trabajo. Entre ellas están:
- La Primera Ley de la termodinámica
- La segunda Ley de la termodinámica
- La Tercera Ley de la termodinámica
¿Que establece la primera ley de la termodinámica?
La Primera Ley de la termodinámica: establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la transferencia neta de calor en el sistema menos el trabajo neto realizado por el sistema.
ΔU = Q – W
Donde:
ΔU: variación de la energía interna
Q: calor cedido o absorbido
W: trabajo realizado por el sistema o el trabajo que se realiza en el sistema
Unidades de medida de calor Q = Julio J
Unidades de medida del trabajo W = Julio J
Utilizamos las siguientes convecciones de signo:
- Si Q es positivo, entonces hay transferencia de calor al sistema
- Si Q es negativo, entonces hay desprendimiento de calor al sistema
- Si W es positivo, entonces hay trabajo realizado por el sistema
- Si W es negativo, entonces hay trabajo que se realiza en el sistema
Resolución de problema
Ejemplo
¿Cuál es el incremento de la energía interna de un sistema si se le suministra 2, 940 J de calor y se aplica un trabajo de 900J?
ΔU = Q – W
Datos
Q = 2, 940 J Como hay suministro de calor al sistema, el calor es positivo.
W = 900J Como el trajo se realiza o se aplica al sistema, el trabajo es negativo, es
Decir que no es el propio sistema que realiza el trabajo, si no que se realiza en él.
ΔU = 2, 940 J – (-900J) =
– (-) = + Se aplica la ley de los signos
ΔU = 2, 940 J + 900J = 3840 J
El incremento de la energía interna del sistema es 3840 J
Máquinas Térmicas
Las máquinas térmicas:son dispositivos que pueden producir trabajo mecánico a partir de energía térmica. La energía transferida como calor no puede a su vez ser transferida íntegramente por esta como trabajo, una parte de la energía debe ser transferida como calor.
Hay límites a la eficiencia de los motores térmicos. El motor ideal convertiría toda la energía de entrada en trabajo útil, pero resulta que tal motor es imposible de construir. La formulación de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica puede ser establecida como sigue:
Ningún motor térmico que funciona en un ciclo puede absorber energía de un depósito y utilizarla totalmente para hacer una cantidad igual de trabajo.
Lo planteado por Kelvin-Planck significa que es imposible construir una maquina térmica que convierta el calor absorbido en trabajo en un 100 %.
Eficiencia (η): representa la cantidad de trabajo mecánico útil que puede entregar una maquina térmica en relación con la energía que se aporta para mantenerla en funcionamiento.
Para calcular la eficiencia de una máquina térmica se puede utilizar diferentes fórmulas:
Fórmulas
η = W / Q1
Donde
η = eficiencia
W = trabajo
Q = calor absorbido
η = Q1 – Q 2 / Q1 = 1 – Q 2 / Q1
η= eficiencia de la maquina térmica
Q1 = energía calórica suministrada al sistema
Q2 = energía disipada al medio ambiente
En función de la temperatura:
η = T1 – T2 / T1 = 1 – T2 / T1
η =eficiencia de la maquina térmica
T1= temperatura inicial
T2= temperatura final
La temperatura debe expresarse en la escala K
Resolución de problema
Ejemplo
Determina la eficiencia de una maquina a vapor sabiendo que absorbe 200 J y elimina 75 J al foco frio
Datos
Q1 = 200 J
Q2 = 75 J
Fórmula
η = 1 – Q2 / Q1
η = 1– (75 J / 200 J) = 1- 0.375 = 0.625 = 0.625 x100 = 62.5% El resultado es un valor porcentual
Dividimos el Q2 entre Q1 Restamos Multiplicamos por 100
La máquina tiene una eficiencia o rendimiento de 62.5 %, esto significa que la ella convierte 62 % del calor absorbido en trabajo.
Por otro lado si se busca calcular la eficiencia o rendimiento de una máquina térmica en función de la temperatura se aplica el mismo procedimiento anterior con:
η = T1 – T2 / T1 = 1 – T2 / T1