PPT S10 TEMODINAMICA C

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SESIÓN:9 
FÍSICA
TRABAJO - PROCESOS TERMODINÁMICOS Y ENERGÍA
Mg. Astuñaupa Balvín Victor
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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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Ejercicio 1. Calcúlense los trabajos necesarios para expandir el sistema desde i hasta f a lo largo de los tres caminos señalados, geométricamente y calculando las integrales correspondientes.
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
APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Ejemplo 1: 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
AB: se calienta a V constante a 400 K.
Ejercicios 2. 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 2: 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. calienteTH
QH
W
QC
Ejemplo 3: Una máquina de vapor absorbe 600 J de calor a 500 K y la temperatura de escape es 300 K. Si la eficiencia real sólo es la mitad de la eficiencia ideal, ¿cuánto trabajo se realiza durante cada ciclo?
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
	Ejemplo 4. Un proceso termodinámico es representado por un diagrama P-V, como se muestra, en el proceso ab se suministran al sistema 600 J de calor, y en el bd, 200 J. Calcular:
V (m3)
8 x 104 Pa
3 x 104 Pa
2x10-3
5x10-3
a
b
d
c
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 El cambio de energía interna en el proceso ab.
 El cambio de energía interna en el proceso abd.
 El calor total suministrado en el proceso acd
 ¿En ab existe incremento de temperatura? ¿Por qué?
 ¿En qué procesos no se realiza trabajo?
Ejercicio 5. En el siguiente diagrama PV, Determine el trabajo realizado sobre un fluido que se expande de i a f, como se indica en la figura (b) ¿Qué pasaría si? ¿Cuánto trabajo es realizado sobre el fluido si se expande desde i a lo largo de la misma trayectoria hasta f? 
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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