TERMODINAMICA Es la rama de la ciencia que se encarga de estudiar todos aquellos fenómenos que implican la transferencia de energía en forma de calor de una parte de un sistema a otro.

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ΔEc + ΔEp + ΔEp.e + ΔEsolar + ΔEmagnética + Δeléctrica + ΔEeólica + ΔEnuclear +ΔEhidráulica +ΔEacústica +ΔU = Q -W

Asumiendo que:

- No existen cambios de velocidad: ΔEc=0

- No existen cambios de altura: ΔEp=0

- No existen resortes que cambien su deformación: ΔEp.e=0

- No existe influencia de la luz solar: ΔEsolar=0

- No existen campos magnéticos a su alrededor: ΔEmagnética=0

- No existen redes eléctricas en su cercanía: Δeléctrica=0

- No existen corrientes de aire circundante: ΔEeólica=0

- No existe reacción nuclear: ΔEnuclear=0

- No existe fuentes hidráulicas: ΔEhidráulica=0

- No existen fuentes sonoras: ΔEacústica=0

Por lo tanto, [pic 24]

ΔU = Q -W

Donde:

ΔU: Cambio en la energía interna del sistema, la cual incluye la energía rotacional, traslacional y vibracional de las partículas.

Q: Transferencia de energía calórica del sistema, sujeta a las siguientes convenciones,

Q(+): El sistema recibe calor o se calienta[pic 25]

Q

Q(-): El sistema cede calor o se enfría

W: Involucra todas las formas de trabajo realizado en el sistema, tales como: trabajo eléctrico, trabajo mecánico, trabajo de frontera. De estos, sólo se tendrá en cuenta el trabajo de frontera, también llamado trabajo presión-volumen (P-V), para ello, se tendrán en cuenta las siguientes convenciones:

W(+): Trabajo realizado POR el sistema. El sistema se expande.[pic 26]

W

W(-): Trabajo realizado SOBRE el sistema. El sistema se contrae.

Matemáticamente, cuando el sistema cambia de un volumen VA hasta un volumen VB, el trabajo de frontera se puede calcular así:[pic 27]

Si el proceso es isobárico (P: Constante): Si el proceso NO es isobárico (PǂConstante)[pic 28]

W= P.ΔV [pic 29]

W=P.(VB-VA) Se debe buscar una expresión que relacione

la presión (P) con el volumen (V), para poder

Integrar la expresión

También se puede calcular el trabajo de frontera, mediante la gráfica de Presión (P) vs Volumen (V), calculando el área bajo la curva, así:

[pic 30][pic 31][pic 32]

[pic 33]

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

La incapacidad de la primera ley de identificar si un proceso puede llevarse a cabo es remediado al introducir otro principio general, la segunda ley de la termodinámica. La primera ley no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que el proceso ocurrirá realmente. Cuando los procesos no se pueden dar, esto se puede detectar con la ayuda de una propiedad llamada entropía. Un proceso no sucede a menos que satisfaga la primera y la segunda ley de la Termodinámica.

El empleo de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos. La segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad. La primera ley tiene que ver con la cantidad y la transformación de la energía de una forma a otra sin importar su calidad. Preservar la calidad de la energía es un interés principal de los ingenieros, y la segunda ley brinda los medios necesarios para determinar la calidad, así como el nivel de degradación de la energía durante un proceso. La naturaleza establece que el total de energía asociada con una fuente térmica nunca puede ser transformada íntegra y completamente en trabajo útil. De aquí que todo el trabajo se puede convertir en calor, pero no todo el calor puede convertirse en trabajo.

Definición de Kelvin-Planck: “Es imposible construir un aparato que opere cíclicamente, cuyo único efecto sea absorber calor de una fuente de temperatura caliente (TH) y convertirlo en una cantidad equivalente de trabajo (Wneto)”.[pic 34][pic 35]

[pic 36]

Ilustración del enunciado de Kelvin Planck

Definición de Clausius: “Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo cuyo único efecto sea transferir calor desde una fuente de baja temperatura (TL) a otra de temperatura alta (TH)”.

[pic 37][pic 38][pic 39]

Ilustración del enunciado de Clausius

EL CICLO DE CARNOT

Es un ciclo reversible formado por cuatro procesos reversibles los cuales permiten obtener una eficiencia mayor del ciclo ya que el trabajo neto puede maximizarse al utilizar procesos que requieren la menor cantidad de trabajo y entreguen la mayor cantidad del mismo.

Los ciclos reversibles no pueden alcanzarse en la práctica debido a que las irreversibilidades asociadas con cada proceso no pueden eliminarse. Sin embargo, los ciclos reversibles brindan límites superiores en el rendimiento de los ciclos reales. Las máquinas térmicas y las frigoríficas que trabajan en ciclos reversibles son modelos con los cuales las máquinas térmicas y las frigoríficas reales pueden compararse. Los ciclos reversibles sirven también como puntos de partida en el desarrollo de los ciclos reales y se modifican según se necesite para cubrir ciertos requerimientos.

El ciclo de Carnot fue propuesto en 1824 por el ingeniero francés Sadi Carnot. El ciclo se compone de cuatro procesos reversibles, dos isotérmicos y dos adiabáticos, y puede ejecutarse ya sea en un sistema cerrado o en uno de flujo estable, con sustancia pura o con un gas. Los cuatro procesos reversibles que componen el ciclo de Carnot son los siguientes:

Expansión isotérmica reversible