Procesos termodinámicos

Primera ley de la termodinámica.

Cuando se añade calor (Q) a un sistema mientras éste  efectúa trabajo (W), la energía interna (U) cambia en una cantidad igual a Q – W (calor - trabajo). 

s la misma ley del principio de conservación de la energía, la cual exige que para todo sistema termodinámico se cumpla:

∆U = Q-W (cambio de la energia interna = calor - trabajo).

Siendo ∆U la energía interna del sistema.

Trabajo en los gases.

Se considera un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón, sobre el  cual actúa la presión atmosférica (P), cuando la temperatura del gas aumenta, el gas se expande a presión constante, cuando el gas se expande ejerce una fuerza (F) sobre el pistón y le produce un incremento (variacion o cambio) en su volumen (∆V), por lo cual el trabajo realizado por el gas sobre el pistón es dado por:

W = P*∆V (trabajo = presión atmosférica * variación o cambio del volumen)

Procesos  termodinámicos.

un sistema pasa por un proceso termodinamico cuando al menos una de las coordenadas termodinamicas no cambia.

los mas importantes son los isotermicos y los adiabaticos.

Proceso adiabático.

Es aquel en el cual el sistema  (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico.

El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática de una llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar de que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.

 Durante un proceso adiabático, la energía interna del fluido que realiza el trabajo debe necesariamente decrecer.

Es decir, que en este tipo de procesos se tiene que Q = 0. Que de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos que:

Q= ∆U +W

Como Q =0, entonces,                 ∆U = -W.

Esto quiere decir, que para un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón, cuyas paredes no permiten la transferencia de calor al exterior, la variación de energía interna es igual al trabajo, ya sea realizado por el sistema o sobre el sistema.

Proceso isotérmico.

La temperatura permanece constante. Como la energía interna de una gas ideal sólo es función de la temperatura, en un proceso isotérmico de un gas ideal la variación de la energía interna es cero (∆U= 0) La curva hiperbólica se conoce como isotérmica.

De acuerdo  con la primera ley de la termodinámica tenemos:

Q = ∆U +W.

Como ∆U = 0, entonces,             Q = W

 Este proceso se observa cuando en un pistón  que contiene un gas, después de suministrarle calor y producir cambios tanto en la presión como en el volumen su temperatura permanece constante.

Proceso isobárico.

La presión permanece constante, en este proceso, como la presión se mantiene constante, se produce una variación en el volumen y por tanto el sistema realiza trabajo o se puede realizar trabajo sobre el sistema.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, tenemos:

 Q = ∆U +W

Lo que quiere decir que en un proceso de tipo isobárico tanto el calor transferido como el trabajo realizado ocasionan una variación de la energía interna.

Proceso isométrico

En este proceso el volumen permanece constante, es decir que en este tipo de proceso el volumen no varía y por tanto el trabajo es igual a cero, lo que significa que W= 0.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos:

Q = ∆U +W

Como W=0, entonces                    Q = ∆U

la primera ley de la termodinámica establece que la energía no se puede crear ni destruir. la segunda ley la califica, agregando que la forma que asume ka energía en sus transformaciones la deteriora en formas menos útiles. a medida que se difunde mas y acaba por degenerarse y desperdiciarla; la energía organizada, es decir, concentrada, y en consecuencia energía útil de alta calidad, se degenera y forma energía desorganizada, es decir, inútil y de baja calidad.
La energía útil se degenera en formas inútiles y no esta disponible para efectuar el mismo trabajo de nuevo.
El calor, difundido al ambiente como energía térmica, es el cementerio de la energía térmica.
la calidad de la energía disminuye en cada transformación  a medida que la energía en forma organizada tiende a formas desorganizadas, con esto se puede enunciar la segunda ley de otra manera:

Segunda ley de la termodinamica

''el calor nunca fluye por si mismo de un objeto frio a uno caliente''
La segunda ley identifica la direccion de la transformacion de la energia en los procesos naturales.
por ejemplo en invierno el calor pasa del interior de un hogar con celefaccion al aire frio del exterior. en verano, el calor pasa del aire caliente del exterior al interior, que esta mas fresco. la direccion del flujo espontaneo de calos es de lo caliente a lo frio. se puede hacer que tenga la direccion contraria pero solo si se efectua trabajo sobre el sistema o si se agrega energia de otra fuente, que es lo que sucede en las bombas termicas y en los acondicionadores  de aire, que hacen que el calor vaya de los lugares mas frios hacia los mas calientes.
la inmensa cantidad de energia interna deloceano no se puede usar siquiera para encender una sola linterna, sin hacer un esfuerzo externo. Por si misma, la energia no pasara del oceano a menor temperatura hacia el filamento mas caliente de la lampara. Sin ayuda externa, la direccion  del flujo de calor es desde ño caliente hacia los frio.

Es una de las leyes más importantes de la física; aún pudiéndose formular de muchas maneras todas llevan a la explicación del concepto de irreversibilidad y al de entropía. Este último concepto, cuando es tratado por otras ramas de la física, sobre todo por la mecánica estadística y la teoría de la información, queda ligado al grado de desorden de la materia y la energía de un sistema. La termodinámica, por su parte, no ofrece una explicación física de la entropía, que queda asociada a la cantidad de energía no utilizable de un sistema. Sin embargo, esta interpretación meramente fenomenológica de la entropía es totalmente consistente con sus interpretaciones estadísticas. Así, tendrá más entropía el agua en estado gaseoso con sus moléculas dispersas y alejadas unas de las otras que la misma en estado líquido con sus moléculas más juntas y más ordenadas.

El segundo principio de la termodinámica dictamina que si bien la materia y la energía no se pueden crear ni destruir, sí que se transforman, y establece el sentido en el que se produce dicha transformación. Sin embargo, el punto capital del segundo principio es que, como ocurre con toda la teoría termodinámica, se refiere única y exclusivamente a estados de equilibrio. Toda definición, corolario o concepto que de él se extraiga sólo podrá aplicarse a estados de equilibrio, por lo que, formalmente, parámetros tales como la temperatura o la propia entropía quedarán definidos únicamente para estados de equilibrio. Así, según el segundo principio, cuando se tiene un sistema que pasa de un estado de equilibrio A a otro B, la cantidad de entropía en el estado de equilibrio B será la máxima posible, e inevitablemente mayor a la del estado de equilibrio A. Evidentemente, el sistema sólo hará trabajo cuando esté en el tránsito del estado de equilibrio A al B y no cuando se encuentre en uno de estos estados. Sin embargo, si el sistema era cerrado, su energía y cantidad de materia no han podido variar; si la entropía debe de maximizarse en cada transición de un estado de equilibrio a otro, y el desorden interno del sistema debe aumentar, se ve claramente un límite natural: cada vez costará más extraer la misma cantidad de trabajo, pues según la mecánica estadística el desorden equivalente debe aumentar exponencialmente.

Tutorial para facilitar la realización de la lampara giratoria