PPT S9 TEMODINAMICA C

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SESIÓN:9 
FÍSICA
TRABAJO - PROCESOS TERMODINÁMICOS Y ENERGÍA
Mg. Antenor Leva Apaza
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INTRODUCCIÓN
En esta sesión veremos el comportamiento de un sistema termodinámico en cuanto a su energía interna, el trabajo y el calor son los que generan ese cambio, por consiguiente estos cambios son los procesos termodinámico que se estudiara. 
CAPACIDAD
Aplica las leyes de la termodinámica al funcionamiento de máquinas térmicas.
https://www.youtube.com/watch?v=dcwEFpmlCDw
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CONTENIDO TEMÁTICO 
Trabajo termodinámico. 
Energía Interna 
Proceso termodinámico. 
Máquinas térmicas
Ciclos termodinámicos 
Ciclo de Carnot). 
VIDEO: LAS LEYES DE LA TERMODINAMICO 
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La termodinámica  estudia las transferencias de calor, la conversión de la energía y la capacidad de los sistemas para producir trabajo. Las leyes de la termodinámica explican los comportamientos globales de los sistemas macroscópicos en situaciones de equilibrio.
La Termodinámica se desarrolla a partir de cuatro Principios y Tres Leyes:
Principio Cero: permite definir la temperatura como una propiedad.
Ley Cero de La termodinámica: permite definir de equilibrio entre sistemas. 
Primer Principio: define el concepto de energía como magnitud conservativa.
Primera Ley de La Termodinámica: relación entre las energías interna calor y trabajo
TERMODINAICA 
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Segundo Principio: define la entropía como magnitud no conservativa, una medida de la dirección de los procesos.
Tercer Principio: postula algunas propiedades en el cero absoluto de temperatura.
Es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor, y a la eficiencia posible en los motores térmicos.
En cualquier proceso cíclico, la entropía aumentará, o permanecerá igual. 
Estipula que la entropía total de un sistema más su entorno no puede disminuir; puede permanecer constante para un proceso reversible pero siempre debe aumentar para un proceso irreversible (NASA)
Segunda Ley de la termodinámica:
TERMODINÁMICA
Calor trabajo y Energía interna
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Calor y trabajo son formas equivalentes de variar la energía del sistema termodinámico 
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SISTEMA TERMODINÁMICO
Trabajo realizado sobre el gas
Un sistema es un entorno cerrado en el que puede tener lugar transferencia de calor. (Por ejemplo, el gas, las paredes y el cilindro de un motor de automóvil.)
Pext < Pint
Pext
Pint
Pext
Pint
Pext = Pint
trabajo realizado por el gas
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SISTEMAS TERMODINÁMICA
Es imposible realizar un trabajo sin consumir una energía?
.
uff, uff
W=F x
Trabajo realizado por el hombre
Fuerza aplicada
Distancia que se desplaza el objeto
Fuerza
distancia
X1
X2
Trabajo=área
[N.m=J]
Energía = Capacidad para realizar un trabajo
TRABAJO MECANICO 
TRABAJO TERMODINAMICO 
dW > 0 si es realizado sobre el sistema
dW < 0 si es realizado por el sistema
Pext
Pint
Gas
Pistón 
dW > 0 
dV < 0 
dW < 0 
dV > 0 
Compresión 
Expansión 
A=
El trabajo es una interacción de energía que ocurre entre un sistema y sus alrededores
El trabajo expresado en función de las variables macroscópicas intensiva como la presión (P) y otra extensiva como el volumen (V ) es el trabajo Termodinámico.
Trabajo mecánico 
Trabajo Termodinámico en su forma diferencial
Pext < Pint
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ENERGÍA INTERNA DEL SISTEMA
La energía interna (U) de un sistema es el total de todos los tipos de energía que poseen las partículas que conforman el sistema, como las energías potencial y cinética de las moléculas en los gas. 
Dos formas de aumentar y reducir la energía interna, U. 
+U
+W
+Q
+W
-Q
Sistema 
-U
+Q
Wsalida
-W
ESTADO TERMODINÁMICO
El ESTADO de un sistema termodinámico se determina mediante cuatro factores:
Presión absoluta P en pascales
Temperatura T en Kelvins
Volumen V en metros cúbicos
Número de moles, n, del gas que realiza trabajo
PROCESO TERMODINÁMICO
Se generan cuando hay aumento o discusión energía interna (ΔU) en un sistema de un estado A a otro estado B. Y existen cuatro procesos fundamentales. 
Proceso isocórico: V = 0, W = 0 
Proceso isobárico: P = 0 
Proceso isotérmico: T = 0, U = 0 
Proceso adiabático: Q = 0 
final - inicial)=Estado A-Estado B=Estado 1-Estado 2
z
volumen constante
presión constante
Compresión isotérmica de un gas ideal
Proceso isocórico: V = 0, W = 0 
Proceso isobárico: P = 0 
Proceso isotérmico: T = 0, U = 0 
Adiabática
Proceso adiabático: Q = 0 
LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La entrada neta de calor en un sistema es igual al cambio en energía interna del sistema más el trabajo realizado POR el sistema.
Q = U + W final - inicial)
Por el contrario, el trabajo realizado SOBRE un sistema es igual al cambio en energía interna más la pérdida de calor en el proceso.
CONVENCIONES DE SIGNOS PARA LA PRIMERA LEY
Q = U + W final - inicial)
 
ENTRADA de calor Q es positiva
Trabajo POR un gas es positivo
Trabajo SOBRE un gas es negativo
SALIDA de calor es negativa
+Qin
+Wout
U
-Win
-Qout
U
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Ejercicios 1. Uso de la primera ley. A un sistema se agregan 2500 J de calor y 1800 J de trabajo que se realiza sobre el sistema. ¿Cuál es el cambio en la energía interna del sistema?
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Ejercicios 2. Primera ley en procesos isobáricos e isovolumétricos. Un
gas ideal se comprime lentamente a una presión constante de 2.0 atm, desde 10.0 L
hasta 2.0 L. Este proceso se representa en la figura adjunta como la trayectoria de B a
D. (En este proceso, parte del calor fluye hacia fuera del gas y la temperatura desciende.) Entonces se agrega calor al gas, con lo que el volumen se mantiene constante, y se permite que la presión y la temperatura se eleven (línea DA) hasta que
la temperatura alcance su valor original (TA = TB). Calcule a) el trabajo total realizado
por el gas en el proceso BDA y b) el flujo de calor total en el gas.
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Ejercicios 3. Trabajo realizado en un motor. En un motor, 0.25 moles de un gas monoatómico ideal en el cilindro se expanden rápida y adiabáticamente contra el pistón. En el proceso, la temperatura del gas desciende de 1150 a 400 K. ¿Cuánto trabajo realiza el gas?
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Ejercicios 4. ∆U para agua que hierve a vapor. Determine el cambio en la energía interna de 1.00 litro de agua (1.00 kg de masa) a 100°C cuando hierve completamente de líquido a gas, lo que da como resultado 1671 litros de vapor a 100°C. Suponga que el proceso se realiza a presión atmosférica.
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Ejercicios 5. En cierto proceso, 8.00 kcal de calor se suministran a un sistema mientras éste efectúa un trabajo de 6.00 kJ. ¿En cuánto cambió la energía interna del sistema durante el proceso?
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Ejercicios 6. El calor específico del agua es de 4 184 J/kg · K. ¿En cuántos joules cambia la energía interna de 50 g de agua cuando se calienta desde 21 ºC hasta 37 ºC? Suponga que la dilatación del agua es despreciable.
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Ejercicios 7. ¿En cuánto cambia la energía interna de 5.0 g de hielo a exactamente 0 ºC al transformarse en agua a 0 ºC? Desprecie el cambio en el volumen.
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Ejercicios 8. Un resorte (k = 500 Nm) soporta una masa de 400 g que está sumergida en 900 g de agua. El calor específico de la masa es de 450 J/kg · K. El resorte se estira 15 cm y, después de llegar al equilibrio térmico, la masa se libera de modo que vibra arriba y abajo. ¿Cuánto cambia la temperatura del agua cuando cesan las vibraciones?
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Ejercicios 9. Encuentre ∆W y ∆U para un cubo de hierro de 6.0 cm de lado, cuando se calienta de 20 ºC hasta 300 ºC a presión atmosférica. Para el hierro, c = 0.11 cal/g · ºC y el coeficiente volumétrico de dilatación térmica es de 3.6 x10^-5 ºC^-1 . La masa del cubo es de 1 700 g.
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Ejercicios 10. Un motor suministra una potencia de 0.4 hp para agitar5 kg de agua. Si supone que todo el trabajo calienta el agua por pérdidas de fricción, ¿cuánto tiempo tomará aumentar la temperatura del agua 6 ºC?
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Ejercicios 11. En cada una de las siguientes situaciones, determine el cambio en la energía interna del sistema. a) Un sistema absorbe 500 cal de calor y al mismo tiempo realiza un trabajo de 400 J. b) Un sistema absorbe 300 cal mientras sobre él se efectúa un trabajo de 420 J. c) Mil doscientas calorías se eliminan de un gas que se mantiene a volumen constante. Proporcione sus respuestas en kilojoules.
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Ejercicios 12. Para cada uno de los siguientes procesos adiabáticos, determine el cambio en la energía interna. a) Un gas efectúa un trabajo de 5 J mientras se expande adiabáticamente. b) Durante una compresión adiabática, se realiza un trabajo de 80 J sobre un gas.
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Ejercicios 13. 
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Ejercicios 14. 
Ejemplo 15: En la figura, el gas absorbe 400 J de calor y al mismo tiempo realiza 120 J de trabajo sobre el pistón. ¿Cuál es el cambio en energía interna del sistema?
Q = U + W
Aplique primera ley:
Qingreso
400 J
Wsalida =120 J
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AB: se calienta a V constante a 400 K.
Ejercicios 16. Una muestra de 2 L de gas oxígeno tiene temperatura y presión iniciales de 200 K y 1 atm. El gas experimenta cuatro procesos:
BC: se calienta a P constante a 800 K.
CD: se enfría a V constante de vuelta a 1 atm.
DA: se enfría a P constante de vuelta a 200 K.
RESUMEN DEL PROBLEMA
DQ = DU + DW
Para todos los procesos:
Q = 0
A
B
PB
VB VA
PA
PAVA PBVB
 TA T B
=
PAVA = PBVB


Ejemplo 17: Un gas diatómico a 300 K y 1 atm se comprime adiabáticamente, lo que disminuye su volumen por 1/12. (VA = 12VB). ¿Cuáles son la nueva presión y temperatura? ( = 1.4)
ADIABÁTICO: Si VA= 96 cm3 y VB= 8 cm3
Absorbe calor Qalto 
Realiza trabajo Wsalida
Liberación de calor Qfrio
Una máquina térmica es cualquier dispositivo que pasa por un proceso cíclico:
Dep. frío TC
Máquina
Dep. Caliente TH
Qalto
Wsalida
Qfrio
MÁQUINAS TÉRMICAS
LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Es imposible construir una máquina que, al operar en un ciclo, no produzca efectos distintos a la extracción de calor de un depósito y la realización de una cantidad equivalente de trabajo.
No sólo no puede ganar (1ra ley); ni siquiera puede empatar (2a ley)! 
Wsalida
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
Qalto
Qfrio
LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
400 J
300 J
100 J
 Máquina posible.
 Máquina IMPOSIBLE.
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
400 J
400 J
EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
QH
W
QC
La eficiencia de una máquina térmica es la razón del trabajo neto realizado W a la entrada de calor QH.
e = 1 - 
QC
QH
e = = 
W
QH
QH- QC
 QH
EJEMPLO DE EFICIENCIA
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
800 J
W
600 J
Una máquina absorbe 800 J y desecha 600 J cada ciclo. ¿Cuál es la eficiencia?
e = 1 - 
600 J
800 J
e = 1 - 
QC
QH
e = 25% 
Pregunta: ¿Cuántos joules de trabajo se realizan?
EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA IDEAL 
(máquina de Carnot)
Para una máquina perfecta, las cantidades Q de calor ganado y perdido son proporcionales a las temperaturas absolutas T.
e = 1 - 
TC
TH
e = 
TH- TC
 TH
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
QH
W
QC
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Ejemplo 1: Eficiencia de un automóvil. El motor de un automóvil tiene
una eficiencia del 20% y produce un promedio de 23,000 J de trabajo mecánico por segundo durante su operación. a) ¿Cuánta entrada de calor se requiere y b) cuánto calor se descarga como desperdicio de calor de este motor, por segundo?
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Ejemplo 2: Eficiencia de motor de vapor. Un motor de vapor opera
entre 500 y 270°C. ¿Cuál es la eficiencia máxima posible de este motor?
Ejemplo 3: Veinte gramos de hielo a precisamente 0 °C se funden en agua a 0 °C. ¿Cuánto cambia la entropía de los 20 g en el proceso?
Ejemplo 4: Como se muestra en la figura adjuntada, un gas ideal en un cilindro está confinado por un pistón. El pistón se empuja hacia abajo lentamente de tal forma que la temperatura permanece constante a 20 °C. Durante la compresión, sobre el gas se realiza un trabajo de 730 J. Calcule el cambio de entropía del gas.
Ejemplo 5: Como se muestra en la figura adjunta, un recipiente está dividido en dos compartimientos de igual volumen. Los dos compartimientos contienen masas iguales del mismo gas, 0.740 g en cada uno, y para el gas es de 745 J/kg.K. Al empezar, el gas caliente se encuentra a 67.0 °C, mientras que el gas frío está a 20.0 °C. No puede entrar o salir calor de los compartimientos excepto lentamente a través de la partición AB. Calcule el cambio de entropía de cada compartimiento conforme el gas caliente se enfría desde 67.0 °C hasta 65.0 °C.
Ejemplo 6: Dos tanques de agua, uno a 87 °C y el otro a 14 °C, están separados por una placa metálica. Si el calor fluye a través de la placa a razón de 35 cal/s, ¿cuál es el cambio en entropía del sistema que ocurre en un segundo?
REFRIGERADORES
Un refrigerador es una máquina que opera a la inversa: realiza trabajo sobre gas que extrae calor del depósito frío y deposita calor en el depósito caliente.
Win + Qfrío = Qcaliente
WIN = Qcaliente - Qfrío
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
Qhot
Qcold
Win
LA SEGUNDA LEY PARA REFRIGERADORES
Es imposible construir un refrigerador que absorba calor de un depósito frío y deposite igual calor a un depósito caliente con W = 0.
Si fuese posible, ¡se podría establecer movimiento perpetuo!
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
Qhot
Qcold
COEFICIENTE DE RENDIMIENTO (COP)
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
QH
W
QC
El COP (K) de una máquina térmica es la razón del CALOR Qc extraído sobre el TRABAJO neto realizado W.
K = 
 TC 
TH- TC
Para un refrigerador IDEAL:
QC 
W
K = = 
 QC 
QH- QC
EJEMPLO DE COP
Un refrigerador de Carnot opera entre 500 K y 400 K. Extrae 800 J de un depósito frío cada ciclo. ¿Cuáles son COP, W y QH ? 
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
800 J
W
QH
500 K
400 K
EJEMPLO DE COP (Cont.)
A continuación se encontrará QH al suponer el mismo K para un refrigerador real (Carnot). 
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
800 J
W
QH
500 K
400 K
K = 
 QC 
QH- QC
EJEMPLO DE COP (Cont.)
Ahora, ¿puede decir cuánto trabajo se realiza en cada ciclo? 
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
800 J
W
1000 J
500 K
400 K
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	Código de biblioteca	TEXTO
	621.38153 A17 
 	SEARS ZEMANSKY Y YOUNG. Física Universitaria. V2. Ed. Addison – Wesley – Long man, 1999. ISBN: 9684442785 (530/S32/V2). 
	530 G43 V. 1	Física para universitarios, Giancoli Douglas C. Pearson Educación
	530 S43 V. 1	Sears Francis W. Física universitaria Pearson Educación
	530 S49 V. 1	Serway Raymond A. Física para ciencias e ingenierías
	530.15 S49 T. 1	Serway Raymond A. - Jewett John W. Física I Thomson
	530.15 S49 T. 2	Serway Raymond A. - Jewett John W. Física II Thomson
	621.381 A34
 	SERWAY, R. A. (2001). Física. Tomo I. (4ta. Ed.). McGraw Hill. México. ISBN: 9701012968 (530/S42/T2/E2)
 Referencias Web
http://fisicayquimicaenflash.es/fisicapractica.htm
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/hframe.html
https://www.fisicapractica.com/presion-hidrostatica.php
2
1
X
X
WFdx
=
ò
x
dwFdx
=
𝑾
𝒃
=න𝑷𝒅𝑽
𝟐
𝟏
=න
𝑪
𝑽
𝒅𝑽
𝟐
𝟏
=𝑪න
𝒅𝑽
𝑽
𝟐
𝟏
=𝑪𝑳𝒏
𝑽
𝟐
𝑽
𝟏
=𝑷
𝟏
𝑽
𝟏
𝑳𝒏
𝑽
𝟐
𝑽
𝟏
 
AABB
PVPV
gg
=
Process 
Q U W 
AB 
BC 
CD 
DA 
Totals 
 
 
	Process
	Q
	U
	W
	AB
	
	
	
	BC
	
	
	
	CD
	
	
	
	DA
	
	
	
	Totals