PROCESOS TERMODINÁMICOS

*PROCESOS TERMODINÁMICOS*

 

La información que les ofrezco es un breve resumen de los “Procesos Termodinámicos”. Al igual que se complementa con ejemplos y algunos ejercicios para reforzar nuestros conocimientos para que se entienda de una manera mas sencilla.

 PROCESOS TERMODINÁMICOS

Los procesos termodinámicos comprenden el comportamiento y relación que se da entre las temperaturas, presión y el volumen es importante en diversos procesos industriales. 

2.1.1 TERMODINÁMICA:
También es conocida como el movimiento del calor, en esta rama de la física se estudia la transferencia de calor en trabajo mecánico y viceversa. su principal base es la conservación de la energía.
Nos proporciona una teoría básica que nos sirve para entender y poder diseñar maquinas térmicas (refrigeradores, cohetes, etc.).

SISTEMA TERMODINAMICO:Es una parte del universo que se separa con la finalidad poderla estudiar. Para ello se aísla de los alrededores a través de límites o fronteras, de tal manera que todo lo que se encuentra fuera de lo delimitado se denomina alrededores.

a) Frontera:Es el limite que separa al sistema de lo alrededores, casi siempre son paredes que pueden ser diatérmicas o adiabáticas.

b) Pared diatérmicas:Es una conductora de calor, ésta permite el intercambio de calor entre el sistema y sus alrededores y al revés.

c) Pared adiabática:Es caracterizada por NO permitir la interacción térmica del sistema con los alrededores. Es construida de materiales no conductores del calor como porcelana o asbesto.

d) Equilibrio termodinámico:Se alcanza cuando después de cierto tiempo de poner en contacto un sistema de baja temperatura con otro sistema a mayor temperatura se iguala, por lo tanto existe un intercambio de calor, las propiedades de presión, densidad y temperatura cuando se encuentran en este punto dejan de variar.

e) Energía interna ( Ei):Es la energía contenida en el interior de las sustancias. Es la suma de energía cinética y potencial de las moléculas individuales que la forman. La mayoría de las veces se cumple cuanto mayor sea la temperatura de un sistema también lo será su energía interna.
La energía interna se hace presente en las sustancias combustibles y es proporcional a la masa.

2.1.2 EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR:

Fue establecido por un físico ingles llamado James Prescott Joule (1818-1889), es autor de importantes trabajos sobre la TEORIA MECANICA DEL CALOR, a mediados del sigo XIX. Demostró que cierta variación de temperatura indica un cambio de energía interna y aparece que se pierde determinada cantidad de energía molecular.
Después de varios experimentos en los cuales todos los resultados le daban 1J = 0.24 cal o 1 cal = 4.2J, concluyo que la energía mecánica y la energía que causaba la diferencia de temperatura eran equivalentes.

2.1.2 PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA.
Esta ley dice que la variación de la energía interna de un sistema es igual a la energía que transfieren o reciben los alrededores en forma de calor y trabajo, de forma tal que se cumple la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
La primera ley de la termodinámica se muestra matemáticamente de la siguiente manera:

a) Peso termodinámico:Es cuando la temperatura, presión o volumen de un gas varían. Los procesos termodinámicos se clasifican en:

2.1.2 PROCESO ISOTERMICO:
Se presenta cuando la temperatura del sistema, permanece constante independientemente de los cambio de presión o volumen que sufran.

Este proceso se rige por la ley de Boyle-Mariotte de Robert Boyle (1626-1691), Físico Químico irlandés conocido por sus experimentos acerca de las propiedades de los gases
y Edme Mariotte (1620-1684), Físico Francés que descubrió la ley que relación la presión y el volumen de los gases a temperatura constante.

Si un proceso isotérmico formado por un gas experimenta una expansión isotérmica, para que la temperatura permanezca constante la cantidad de calor recibido debe ser igual al trabajo que realiza durante la expansión. Pero si presenta una compresión isotérmica, para que la temperatura también permanezca constante el gas tiene que liberar una cantidad de calor igual al trabajo desarrollado sobre él.
La temperatura no cambia, su energía interna (Ei), son constantes y su variación de energía interna (ΔEi) es igual a cero, por lo que se cumple que (Ei es constante) (ΔEi = 0 ) Q=Tr.

2.1.2 PROCESO ISOBARICO:
Es cuando hay una variación del volumen o temperatura y la presión permanece constante, no importando si el gas sufre una compresión o una expansión. Este proceso rige por la Ley de Charles: Jackes A. Charles ( 1742-1822). Químico, físico y aeronauta Frances, que fue el primero en hacer mediciones acerca de los gases que se expanden al aumentar la temperatura.
Las ecuaciones para el proceso isobárico son:

2.1.2 PROCESO ISOCORICO:Se presenta cuando el volumen del sistema permanece constante. Ya que la variación del volumen es cero, no se realiza trabajo sobre el sistema ni de éste último de sobre los alrededores, por lo que se cumple Tr = 0 Y ΔEi = Q, esto indica que todo el calor suministrado aumentara en la misma proporción a la energía interna, en general esto se presenta cuando un gas se calienta dentro de un recipiente con volumen fijo.
Cuando se calientan dos masas iguales de gas, a una presión constante y otra a volumen constante, para que logren el mismo incremento de temperatura se requiere proporcionar mayor calor al sistema a presión constante (Qp>Qv). Ello se debe a que en el proceso isobárico el calor suministrado se usa para aumentar la energía interna y efectuar trabajo, mientras que en el proceso isocórico todo el calor se usa para incrementar exclusivamente la energía interna.

2.1.3 PROCESO ADIABATICO:
Ocurre cuando el sistema no crea ni recibe calor, cumpliéndose que (Q=0) y ΔEi = -Tr , aun cuando el gas puede presentar expansión o comprensión.
En resumen las condiciones que se tienen que cumplir para los procesos son termodinámicos son:

CALENTAMIENTO POR COMPRESION:
Si un gas sufre compresión rápida, disminuye su volumen, se produce calor y se incrementa la temperatura.

EJEMPLOS

ISOBARICO:Un dispositivo cilindro émbolo contiene un gas que está inicialmente a 1 Mpa y ocupa 0.020 m3. El gas se expande hasta un volumen final de 0.040 m3. Determine el trabajo obtenido en Kj para un proceso isobárico (a presión constante).

Para calcular el trabajo en procesos a presión constante se utiliza la Ec.
W1-2 = P (V2 – V1) =
Se tienen los volúmenes en metros cúbicos y la presión en unidades de mega pascales, hay que utilizar unidades homogéneas: Conociendo que un Kpa = Kj/ m3, se puede convertir la presión de Mpa a Kpa.
1 Mpa * 1000 Kpa = 1000 Kpa. 1 Mpa
Se sustituye en la Ec.4: W1-2 = P (V2 – V1) = 1000 Kj/ m3 *(0.040 m3 – 0.020 Kj/ m3)
W1-2 = 20Kj

Un gas ideal en el que C v = 5.n.R/2 es trasladado del punto "a" al punto "b" Siguiendo los caminos acb, adb y ab, la presión y el volumen finales son P 2 = 2P 1 y V 2 = 2V 1 . a) Calcular el calor suministrado al gas, en función de n, R y T 1 en cada proceso. b) Cual es la capacidad calorífica en función de R para el proceso ab.

Aplicando el primer principio de la termodinámica podemos escribir:

Para cualquiera de los procesos que hemos de considerar, la variación de energía interna será el mismo puesto que U es una función de estado y solo depende de los puntos inicial y final del proceso. Por tratarse de un gas perfecto, podemos escribir :

Pero, de la ecuación de los gases perfectos, obtenemos :

por lo que, sustituyendo

Calculamos el trabajo en cada uno de los procesos :


En el caso de W ab no conocemos el tipo de proceso que sigue el gas, pero podemos ver que el trabajo vendrá dado por :



Obtenidos todos los datos necesarios podemos calcular el calor suministrado al gas en cada uno de los procesos :

Finalmente, la capacidad calorífica para el proceso ab será, en realidad, la capacidad calorífica media que podemos calcular mediante:

Un sistema cerrado, inicialmente en reposo sobre la tierra, es sometido a un proceso en el que recibe una transferencia neta de energía por trabajo igual a 200KJ. Durante este proceso hay una transferencia neta de energía por calor desde el sistema al entorno de 30KJ. Al final del proceso el sistema tiene una velocidad de 60m/s y una altura de 60m. La masa del sistema es 25Kg, y la aceleración local de la gravedad es g=9,8m/s2. Determinar el cambio de energía interna del sistema para el proceso.

ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE

1.- Si en un sistema el gas sufre una expansión adiabática. ¿Cuánto calor es trasferido a los alrededores?

a) Cero

b) Muy poco

c) Regular

d) Demasiado

2.- Si la variación de la energía interna es cero, el proceso que efectúa el sistema es…

a) adiabático

b)isobárico

c)isocórico

d) isotérmico

3.- Si un sistema absorbe calor y realiza trabajo debido a su expansión, de forma tal que su variación de energía interna es negativa, ello indica que el trabajo es:

a) mayor que el calor absorbido

b) menor que el calor absorbido

c) cero respecto al calor absorbido

d) constante respecto al calor absorbido

4.- Un gas contenido en un cilindro con pistón se expande al ponerlo en contacto con calor. Si la energía interna no varia, el trabajo realizado por el gas es __________ al calor absorbido.

a) Cero

b) igual

c)mayor

d)menor

5.- Si el sistema de un gas realiza trabajo disminuye su ______ y el signo asociado es ______
a)calor - negativo

b)calor - constante

c)energía interna - positivo

d) energía interna – negativo

6.- En un proceso termodinámico en el que el volumen es constante, ¿Qué condición se cumple?
a)Tr=Q y ΔEi=0

b)Tr=0 y ΔEi=0

c)Tr=0 y ΔEi=Q

d) Tr=Q y ΔEi=Q

7.- Considerando que el sistema sea diatérmico, si este absorbe calor, su energía interna _______ y el signo del calor es _________
a) disminuye - negativo

b)aumenta – positivo

c)es constante - positivo

d)aumenta - negativo

8.- Si el sistema libera calor, disminuye su ______ y el signo del calor será _________
a) energía interna - negativo

b) temperatura - positivo

c)temperatura - constante

d)energía interna - cero

9.- El proceso en el cual todo el trabajo suministrado al sistema incrementa en la misma proporción la energía interna se llama....a) isocórico

b)isobárico

c)adiabático

d)isotérmico

10.- Nombre del proceso en el que no se efectúa trabajo mecánico, ya que no hay variación de volumen:a) isobárico

b)isocórico

c)isotérmico

d)adiabático

11.- Nombre del proceso en el que varían el volumen y la temperatura, por lo que el sistema puede hacer o recibir trabajo mecánico:
a)adiabático

b)isobárico

c)isocórico

d)isotérmico

12.- Nombre del proceso donde no existe intercambio de calor con los alrededores.
a)isotérmico:

b)adiabático

c)isocórico

d)isobárico

13.- Una expansión rápida de un gas ocasiona…..
a) disminución de temperatura y de energía interna.

b) aumento de temperatura y disminución de presión.

c) aumento de volumen y presión.

d) diminución de temperatura y aumento de energía interna.

• Relaciona las dos columnas colocando en el paréntesis de la izquierda la letra que corresponda. Cada letra puede usarse solo una vez.

A - Expansión de un gas

B - Proceso isobárico

C - Proceso isotérmico

D - Compresión de un gas

E - Proceso adiabático

F - Proceso isocórico

14.- ( E ) No hay intercambio de calor con los alrededores
15.- ( A ) La temperatura disminuye

16.- ( F ) No se efectúa trabajo mecánico
17.- ( B ) La presión permanece constante
18.- ( D ) La temperatura aumenta

• Coloca en el paréntesis una V si la aseveración es correcta y una F si es falsa.
  con respecto a procesos termodinámicos:

19.- ( V ) En una expansión adiabática la energía interna del sistema disminuye.
20.- ( V ) En una compresión adiabática la temperatura del sistema permanece constante.
21.- ( V ) En un proceso isotérmico el calor absorbido por el sistema gaseoso es igual al trabajo que el realiza sobre los alrededores.
22.- ( V ) En un proceso isotérmico se realiza trabajo.
23.- ( F ) En una expansión adiabática el sistema gaseoso absorbe calor.

• Coloca sobre la línea una o dos palabras que completen el enunciado:

24.- La termodinámica es la rama de la física que se encarga de estudiar la transformación del calor en trabajo mecánico.
25.- Las paredes diatérmicas permiten el intercambio de calor entre el sistema y los alrededores
26.- La energía interna es la suma de energía cinética y potencial que poseen las moléculas de las sustancias
27.- En un proceso isotérmico la energía interna permanece constante debido a que la temperatura no varia.
28.- La primera ley de la termodinámica establece que la variación de energía interna en un sistema es igual a la energía que transfieren o reciben los alrededores en forma de calor y trabajo.
29.- Si un gas esta encerrado en un cilindro con pareces aislantes y puede comprimirse o expandirse, en este sistema no podrá ceder ni tampoco recibircalor.
30.- En un proceso adiabático el calor intercambiado tiene un valor de cero.
31.- El trabajo tiene signo positivo cuando el sistema recibe trabajo de los alrededores.
32.- Si el sistema recibe calor del exterior se le asocia el signo positivo.
33.- Si la variación de la energía interna es igual al trabajo desarrollado se trata de un proceso adiabático.

• Coloca en el paréntesis una V si la aservacion es correcta y una F si esta es falsa.
  En un proceso isotermico:

34.- ( F ) El calor puede aparecer en forma de aumento de energía interna.
35.- ( F ) El gas puede ceder calor realizado trabajo sobre los alrededores.
36.- ( V ) Todo el calor se transforma en trabajo mecanico.
37.- ( V ) Si sufre una expansión, puede introducirse en un calentador para que no se altere la temperatura.
38.- ( F ) Cualquier punto de la isotermia tiene diferente temperatura.

• Relaciona las columnas colocando en el paréntesis de la izquierda la letra que corresponda. Cada letra puede usarse solo una vez.

A - Sistema en trabajo mecánico

B - Equilibrio termodinámico.

C - Termodinámica.

D - Energía interna y alrededores

E - Equivalente mecánico del calor

F - Pared diatérmica de las partículas de las sustancias.

39.- ( C ) Estudia la transformación de calor
40.- ( A ) Frontera y alrededores son parte de…
41.- ( F ) Permite el intercambio de calor entre sistema
42.- ( B ) Los cuerpos se encuentran a la misma temperatura.
43.- ( D ) Representa la suma de la energía cinética y potencial.

• Coloca en el paréntesis una V si la aceración es correcta y una F si esta es falsa.
  En un proceso adiabático

44.- ( V ) el sistema puede sufrir una expansión o una compresión.
45.- ( F ) Si se comprime su temperatura aumenta.
46.- ( F ) Hay una transferencia de calor.
47.- ( F ) Todo el trabajo realizado por los alrededores incrementa la energía interna.
48.- ( V ) Un ejemplo de este proceso es guardar una sustancia en un termo.

• A continuación se presentan problemas en los que se aplican las ecuaciones de la primera ley de la termodinámica y de los procesos termodinámicos. Para que estés seguro de que el procedimiento fue el adecuado, se muestran los resultados.

1.- Cierto gas contenido en un cilindro con embolo absorbe 50 calorías, por lo que realiza un trabajo mecánico de 300J. ¿Cuál fue la variación de la energía interna?
Datos:

Q=50cal
Tr=300J

Calcular:Variacion de la energía interna

Formula:ΔEi=Q-Tr
1cal=4.2J

Sustitucion y operación:
ΔEi = 210J – 300J = -90J

2.- Un gas contenido en un cilindro con embolo, al aplicarle un trabajo de 180J hace que la variación de energía interna adquiera un valor de 75J. ¿Qué cantidad de calor es cedido a los alrededores?
Datos:

Tr=180J
ΔEi = 75J

Calcular:
Calor cedido a los alrededores

Formula:ΔEi=Q-Tr
Q = ΔEi - Tr

Sustitución y operación:
Q = 75J – 180J = -105J

3.- Sobre un sistema gaseoso se efectúa un trabajo de 120J y , como consecuencia, se liberan 41 calorías. ¿Qué variación de energía interna tiene?
Datos:

Tr=120J
Q=41cal

Calcular:Variación de la anergia interna

Formula:
ΔEi=Q-Tr
1cal = 4.2J

Sustitución y operación:
Tr = 120 J (dentro = - )
Q = 172.2J (se liberan = - )
ΔEi = -172.2J – (-120J) = -52.2J