Termodinámica
Máquina térmica típica donde puede observarse la entrada desde una fuente de calor (caldera) a la izquierda y la salida a un disipador de calor (condensador) a la derecha. El trabajo se extrae en este caso mediante una serie de pistones.
La termodinámica (del griego θερμo, termo, que significa «calor»[1] y δύναμις, dínamis, que significa «fuerza»)[2] es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico.[3] Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental.[4] Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema,[5] o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes, tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden tratarse por medio de la termodinámica.
Historia de la termodinámica
La historia de la termodinámica como disciplina científica se considera generalmente que comienza con Otto von Guericke quien, en 1650, construyó y diseñó la primera bomba de vacío y demostró las propiedades del vacío usando sus hemisferios de Magdeburgo. Guericke fue impulsado a hacer el vacío con el fin de refutar la suposición de Aristóteles que "la naturaleza aborrece el vacío". Poco después de Guericke, el físico y el químico Robert Boyle estudió y mejoró los diseños de Guericke y en 1656, en coordinación con el científico Robert Hooke, construyó una bomba de aire. Con esta bomba, Boyle y Hooke observaron una correlación entre la presión, temperatura y volumen. Con el tiempo, se formularon la ley de Boyle, indicando que para un gas a temperatura constante, la presión y el volumen son inversamente proporcionales y otras leyes de los gases.
En 1679, un asociado de Boyle, Denis Papin basándose en estos conceptos, construyó un digestor de vapor, que era un recipiente cerrado con una tapa de cierre hermético en el que el vapor confinado alcanzaba una alta presión, aumentando el punto de ebullición y acortando el tiempo de cocción de los alimentos.
En 1697, el ingeniero Thomas Savery, a partir de los diseños de Papin, construyó el primer motor térmico, seguido por Thomas Newcomen en 1712. Aunque estos primeros motores eran toscos y poco eficientes,
Leyes de la termodinámica
Principio cero de la termodinámica
Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.
En palabras llanas: «Si pones en contacto un objeto con menor temperatura con otro con mayor temperatura, ambos evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan».
Tiene una gran importancia experimental «pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema» pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica.
El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parámetro cinético, asociado a nivel microscópico; el cual a su vez está dentro de la físico química y no es parámetro debido a que a la termodinámica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se las conoce como coordenadas térmicas y dinámicas del sistema.
Este principio fundamental, aún siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibiese el nombre de principio cero.
Primera ley de la termodinámica
También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las bases de la termodinámica.
Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:
Donde U es la energía interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.
Esta última expresión es igual de frecuente encontrarla en la forma ∆U = Q + W. Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia está en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional (véase criterio de signos termodinámico).
Segunda ley de la termodinámica
Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.
La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.
Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.
Enunciado de Clausius
Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.
En palabras de Sears es: «No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada».
Enunciado de Kelvin—Planck
Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito, con la realización de una cantidad igual de trabajo.
Tercera ley de la termodinámica
Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado de Nernst como "la tercera de las leyes de la termodinámica". Es importante reconocer que no es una noción exigida por la termodinámica clásica por lo que resulta inapropiado tratarlo de «ley», siendo incluso inconsistente con la mecánica estadística clásica y necesitando el establecimiento previo de la estadística cuántica para ser valorado adecuadamente. La mayor parte de la termodinámica no requiere la utilización de este postulado.[]El postulado de Nernst, llamado así por ser propuesto por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto.
FORMULAS
Qc= Energia que se asorbe (el subíndice C se refiere a caliente)
Qf= Energia que se sede (elsubíndice F se refiere a frío)
ΔU = "Cero" Debido a que la sustancia de trabajo se lleva a través de un ciclo, su energía interna inicial y final es la misma, por lo que la variación de energía interna es cero.
ΔU=Q+W
Qneto = Qc - Qf
Q=m.c.ΔT,
donde m=masa;c=capacidad calofica;T=cambio de temperatura. Dependiendo el estado de la materia a evaluar puede ser la capacidad de evaporacion o de fusion.
Por lo tanto el trabajo es:
W =/ Qc/ -/ Qf/
Donde Qc y Qf se toman como cantidades positivas. Si la sustancia de trabajo es un gas, el trabajo neto realizado en un proceso cíclico es igual al área encerrada por la curva que representa a tal proceso.
Eficiencia térmica o Rendimiento:
La eficiencia térmica, e (o simplemente eficiencia), de una máquina térmica se define como la razón entre el trabajo neto realizado y el calor absorbido durante un ciclo:
e=W/Qc ; e=Qc-Qf/Qc ; e=1-Qf/Qc
Por lo tanto el trabajo es:
W =/ Qc/ -/ Qf/
Donde Qc y Qf se toman como cantidades positivas. Si la sustancia de trabajo es un gas, el trabajo neto realizado en un proceso cíclico es igual al área encerrada por la curva que representa a tal proceso.
Eficiencia térmica o Rendimiento:
La eficiencia térmica, e (o simplemente eficiencia), de una máquina térmica se define como la razón entre el trabajo neto realizado y el calor absorbido durante un ciclo:
e=W/Qc ; e=Qc-Qf/Qc ; e=1-Qf/Qc
Se puede pensar en la eficiencia como la razón de lo que se obtiene (trabajo mecánico) a lo que se paga por (energía). Este resultado muestra que una máquina térmica tiene una eficiencia de 100% (e = 1) sólo si Qf = 0, es decir, si no se libera calor a la fuente fría. En otras palabras, una máquina térmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda la energía calórica absorbida Qc en trabajo mecánico.
Coeficiente de Operacion:
cop=Q(neto)/W(ciclo)
Eficiencia Maxima :
eficiencia maxima=Tf/Tc-Tf ; eficiencia maxima=Tc/Tc-Tf
Donde si "COP es menor que "Eficiencia Maxima" el Proceso es Irreversible
Donde si "COP es menor que "Eficiencia Maxima" el Proceso es Irreversible
Potencia:
P=W/Δt expresada en J/s= Watts
P=W/Δt expresada en J/s= Watts
#include<math.h>
using namespace std;
int main ()
{
int opcion;
cout<<"*********TERMODINAMICA*********\n\n";
cout<<" 1) PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA \n";
cout<<" 2) SEGUNDA LEY DE TERMODINAMICA \n";
cout<<" 3) LA POTENCIA \n";
cout<<"*****************************************\n\n";
cout<<" ingrese la opcion: "; cin>>opcion;
cout<<endl; cout<<endl;
switch (opcion)
{
case 1:
{
cout<<"********PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA******* \n\n";
float U, Q, W;
cout<<"INGRESE EL CALOR APORTADO: "; cin>>Q;
cout<<"INGRESE EL TRABAJO REALISADO: "; cin>>W;
cout<<endl;
U=Q-W ;
if ( U<200)
{
cout<<"LA ENERGIA INTERNA ES: " <<U<<endl;
cout<<"*************************************\n";
cout<<endl;
}
else
{
cout<<" ENERGIA INTERNA EXEDIDA"<<endl;
}
cout<<"*************************************\n";
cout<<endl;
}
break;
case 2:
{
cout<<"********SEGUNDA LEY DE TERMODINAMICA******* \n\n";
float e, Qc, W;
cout<<"INGRESE LA ENERGIA CALORIFICA: "; cin>>Qc;
cout<<"INGRESE EL TRABAJO: "; cin>>W;
cout<<endl;
if (Qc !=0)
{
e=W/Qc ;
cout<<"LA EFICIENCIA TERMICA ES: "<<e<<endl;
}
else
{
cout<<"NO TIENE SOLUCION"<<endl;
}
cout<<"*************************************\n";
cout<<endl;
}
break;
case 3:
{
cout<<"*******LA POTENCIA******* \n\n";
float P , W, t;
cout<<"INGRESE EL TRABAJO: "; cin>>W;
cout<<"INGRESE EL TIEMPO: "; cin>>t;
cout<<endl;
if (t!= 0)
{
P=W/t ;
cout<<"LA POTENCIA ES: "<<P<<endl;
}
else
{
cout<<"SOLUCION INDETERMINADA: "<<endl;
}
cout<<"*************************************\n";
cout<<endl;
}
break;
} // fin del switch
cout<<endl; cout<<"\n";
system ("pause");
return 0;
} //fin del programa
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