16 calorenergia
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Este documento proporciona una introducción a la termodinámica. Explica conceptos clave como transferencias de energía, trabajo en sistemas gaseosos, temperatura y calor, equilibrio térmico, equivalencia calor-trabajo, energía interna, y los principios de la termodinámica. También describe procesos termodinámicos como adiabáticos, isócoros e isobáricos, y máquinas térmicas como la máquina de vapor y el motor de cuatro tiempos.
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- 1. TERMODINÁMICA CONTENIDOS. 1.- Transferencias de energía. 2.- Trabajo en sistemas gaseosos. 3.- Temperatura y calor. 4.- Equilibrio térmico. 5.- Equivalencia calor-trabajo. 6.- Energía interna (U). 7.- Primer principio de la Termodinámica. 8.- Tipos de procesos termodinámicos. TRANSFERENCIAS DE ENERGÍA. Puede producirse de dos formas principales: • En forma de trabajo. • En forma de calor. TRABAJO EN SISTEMAS GASEOSOS W = €F · dr = € p · S · dr = €– p · dV En el caso de que la presión sea constante (sistemas isobáricos), la integral es inmediata: W = – p · ∆V El signo menos se debe al actual criterio de signos que decide que sea negativa toda la energía que salga de un sistema (vector superficie y desplazamientos de sentidos contrarios, con lo que el producto escalar al multiplicarlo por cos 180º sale negativo). Si un sistema realiza un trabajo hacia el exterior es porque ha perdido energía.
- 2. TEMPERATURA Y CALOR. Temperatura (Temperatura (TT)) Es una medida de la energía cinética media que tienen las moléculas. A mayor temperatura mayor agitación térmica (mayor energía cinética media). Es una magnitud “intensivaintensiva”, es decir, no depende de la masa del sistema. Dos cuerpos con diferentes temperaturas evolucionan siempre de forma que traten de igualar sus temperaturas (equilibrio térmico). Para medir T se utilizan los termómetros que se basan en la dilatación de los líquidos (normalmente mercurio). Calor (Calor (QQ).). Al igual que el trabajo, el calor es una medida de la energía transferida a un sistema o aportada por el mismo. Un sistema no tiene calor recibe o aporta calor. Es una magnitud “extensivaextensiva”, es decir, depende de la masa del sistema. Cuando un cuerpo recibe calor puede: • Aumentar su temperatura. • Cambiar de estado físico. • Ambas cosas. 2
- 3. Aumento de temperatura.Aumento de temperatura. En este caso, el calor recibido o aportado por el sistema dependerá de: • Lo que se quiera variar T (∆T) • De la masa a calentar (m) • Del tipo de sustancia (ce = calor específico) El calor absorbido o cedido por un sistema viene dado por la siguiente fórmula: Q = m x ce x ∆T = m x ce x (Tf –Ti) siendo ce el calor específico de la sustancia. Si el sistema absorbe calor (Q > 0) y por tanto Tf > Ti, mientras que si el sistema cede calor (Q < 0) entonces Tf < Ti. Algunos calores específicos SUSTANCIA cal/g ºC J/kg ·K Agua (líquida) 1,00 4180 Agua (hielo) 0,49 2050 Agua (vapor) 0,47 1960 Aceite de oliva 0,47 2000 Aire 0,24 1010 Aluminio 0,22 900 Alcohol etílico 0,59 2450 Oro 0,03 130 Granito 0,19 800 Hierro 0,11 460 Plata 0,06 240 Acero inoxidable 0,12 510 Madera 0,42 1760 3
- 4. Ejemplo: Calcula el calor que se necesita aportar a 0,5 litros de mercurio para que su temperatura aumente de 20 a 50ºC. Datos: d(Hg) = 13600 kg·m–3 ; ce(Hg) = 140 J·kg–1 ·K–1 . Q = m x ce x ∆T = 0,5 x 10-3 m3 x 13600 kg·m–3 x 140 J·kg–1 ·K–1 x (323 k – 293 K) Q = 28560 J Cambiar de estado físico.Cambiar de estado físico. En este caso la temperatura no varía, y el calor recibido dependerá de: • De la masa a cambiar de estado (m) • Del tipo de sustancia (LF o Lv = calor latente de fusión o vaporización) El calor absorbido o cedido por un sistema viene dado por las siguientes fórmulas: QF = LF x m QV = LV x m EQUILIBRIO TÉRMICO. Cuando dos sistemas a diferente temperatura se ponen en contacto, el sistema que se encuentre a mayor temperatura cederá energía al sistema que se encuentre a menor temperatura en forma de calor, hasta que ambos se encuentren a la misma temperatura. Obviamente, si un cuerpo adquiere calor, es porque otro lo cede, de forma que: Qabsorbido = – Qcedido Sea A el cuerpo de menor temperatura (absorberá calor) y el B de mayor temperatura (cederá calor). Al final, ambos adquirirán la misma temperatura de equilibrio (Teq): mA x ceA x (Teq – T0A) = – mB x ceB x (Teq– T0B) O también se puede escribir como: mA x ceA x (Teq – T0A) = mB x ceB x (T0B –Teq) Ejemplo: Se introduce una bolita de 200 g de hierro a 120ºC en un recipiente con ½ litro de agua a 18ºC. Calcular: a) la temperatura de equilibrio; b) el calor cedido por la bola de hierro. a) mA x ceA x (Teq – T0A) = mB x ceB x (T0B –Teq) 0,5 kg x 4180 J x K–1 x kg–1 (Teq –18ºC) = 0,2 kg x 460 J x K–1 x kg–1 (120ºC– Teq) Resolviendo la ecuación obtenemos que: Teq = 22,3ºC 4
- 5. b) Qced = mA x ceA x(Teq– T0A) = 0,2 kg x 460 J x K–1 x kg–1 x (22,3ºC –120ºC) = –8990 J El signo (–) indica que es cedido. Ejemplo: Calcula el calor necesario para transformar 1 kg de hielo a –10ºC en vapor de agua a 110ºC a presión atmosférica.(LF = 3,34 x 105 J/kg; LV = 2,26 x 106 J/kg) El calor total será la suma del necesario para pasar de hielo a –10ºC a hielo a 0ºC (Q1), de fundir el hielo (Q2), de pasar el agua líquida a 0ºC a agua líquida a 100ºC (Q3), de vaporizar el agua (Q4) y de aumentar la temperatura del vapor hasta los 110ºC (Q5): Q1 = m x ce x (T1 – T0) = 1 kg x 2,05 kJ x K–1 x kg–1 x 10 K = 20,5 kJ Q2 = m x LF = 1 kg x 3,34 ·105 J x K–1 = 334 kJ Q3 = m x ce x (T2 – T1) = 1 kg x 4,18 kJ x K–1 x kg–1 x 100 K = 418 kJ Q4 = m x LV = 1 kg x 2,26 x 106 J x K–1 = 2260 kJ Q5 = m x ce x (T3 – T2) = 1 kg x 1,96 kJ x K–1 x kg–1 x 10 K = 19,6 kJ QTOTAL= Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 20,5 kJ + 334 kJ + 418 kJ + 2260 kJ + 19,6 kJ QTOTAL = 3052,1 kJ EQUIVALENCIA CALOR-TRABAJO. A principios del siglo XIX se pensaba que el calor era una sustancia fluida material que pasaba de unos cuerpos a otros (teoría del “calórico”). Joule demostró que el calor era una forma de energía y calculó la equivalencia entre la caloría (unidad de calor) y el julio (unidad de trabajo-energía), lo que se conoce normalmente como “equivalente mecánico del calor”. Utilizó un aparato similar al del dibujo de la derecha mediante el cual, mediante el trabajo realizado por las pesas, fácilmente mensurable, comprobó el aumento de la temperatura del agua. 5 1 J = 0’24 cal ; 1 cal = 4’18 J Aparato para el cálculo del “equivalente mecánico del calor”
- 6. SISTEMAS Y VARIABLES TERMODINÁMICAS. SistemaSistema Es una parte pequeña del universo que se aísla para someterla a estudio. El resto se denomina ENTORNO. Pueden ser: • Abiertos (intercambia materia y energía con el entorno). • Cerrados (no intercambia materia y sí energía). • Aislados (no intercambia ni materia ni energía). Variables termodinámicasVariables termodinámicas Son magnitudes que pueden variar a lo largo de un proceso (por ejemplo, en el transcurso de una reacción química) Ejemplos: • Presión. • Temperatura. • Volumen. • Concentración. Funciones de estadoFunciones de estado Son variables termodinámicas que tienen un valor único para cada estado del sistema. Su variación sólo depende del estado inicial y final y no del camino desarrollado. Son funciones de estado: Presión, temperatura, energía interna. NO lo son: calor, trabajo. ENERGÍA INTERNA (U) Es la energía total de las partículas que constituyen un sistema. Es igual a la suma de todas las energías de rotación, traslación, vibración y enlace entre los átomos que constituyen las moléculas. 6
- 7. Es una magnitud “extensivaextensiva”, es decir, depende de la masa del sistema. Es muy difícil de medir. En cambio es fácil determinar la variación de ésta (∆U). PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA ENERGÍA INTERNA (U): es la energía total del sistema. • Es imposible medirla. • En cambio, sí se puede medir su variación. = +U Q W∆ Actualmente, se sigue el criterio de que toda energía aportada al sistema (desde el entorno) se considera positiva, mientras que la extraída del sistema (al entorno) se considera negativa. Así, Q y W > 0 si se realizan a favor del sistema. U es función de estado. Ejemplo: Una masa de 18 g de agua es transformada en vapor a 101300 Pa y 100ºC convirtiéndose en 30,6 litros de vapor a esta misma presión. Si LV (agua) es 2,26 ·106 J/kg, calcula: a) la energía suministrada en forma de calor; b) el trabajo realizado por el sistema; c) la variación de energía interna. a) Q = m x LV = 0,018 kg x 2,26 x 106 J x K–1 = 40,68 kJ b) El volumen del agua líquida se puede despreciar frente al del gas: 1,8x10–2 L << 30,6 L W = – p x ∆V = –101300 N x m –2 x (30,6 x 10–3 m3 ) = –3,1 kJ c) ∆U = Q + W = 40,68 kJ – 3,1 kJ = 37,58 kJ TIPOS DE PROCESOS TERMODINÁMICOS. • Adiabáticos: (Q = 0) No tiene lugar intercambio de calor con el exterior . Por ejemplo, un termo. En estos procesos se cumple que: ∆U = W 7
- 8. • Isócoros: (V = constante). Tienen lugar en un recipiente cerrado. Como ∆V = 0 ⇒ W = 0 ⇒ Qv = ∆U • Isobáricos: (p = constante) ∆U = Qp – p x ∆V ; U2 – U1 = Qp – (p x V2 – p x V1) ⇒ U2 + p x V2 = Qp + U1 + p x V1 U2 + p x V2 = Qp + U1 + p x V1 Si llamamos H = U + p x V ⇒ Qp = H2 – H1 = ∆H • Isotérmicos: (T = constante) MÁQUINAS TÉRMICAS Las máquinas térmicas son las encargadas de transformar Q en W y tienen un rendimiento inferior al 100 % ya que, aparte de realizar un trabajo, siempre ceden parte de su energía al foco frío (Q2). Los principales tipos de máquinas térmicas son: • Máquina de vapor. • Turbina de vapor. • Motor de cuatro tiempos. - Aspiración o admisión - Compresión - Explosión. - Expulsión. • Motor Diesel. 8 FOCO CALIENTE (T1 ) FOCO CALIENTE (T1 ) FOCO FRÍO (T2 ) FOCO FRÍO (T2 ) W Q1 Q1 – Q2 – Q2 Q2 Esquema de una máquina térmica
- 9. Máquina de vaporMáquina de vapor Turbina de vaporTurbina de vapor Motor de cuatro tiemposMotor de cuatro tiempos Esquema de una máquina de vapor. Imagen cedida por © Editorial Santillana 9
- 10. Máquina de vaporMáquina de vapor Turbina de vaporTurbina de vapor Motor de cuatro tiemposMotor de cuatro tiempos Esquema de una máquina de vapor. Imagen cedida por © Editorial Santillana 9