PPT 16 - Primera ley de la termodinamica (1)

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Montoya.-
Trabajo
Física
¿Qué es la Termodinámica?
La termodinámica es una rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el trabajo y el calor. Se ocupa de las propiedades macroscópicas de la materia, especialmente las que son afectadas por el calor y la temperatura, así como de la transformación de unas formas de energía en otras.
 Es importante saber que la termodinámica estudia los sistemas que se encuentran en equilibrio. Esto significa que la presión, temperatura, volumen y la masa, que se conocen como variables termodinámicas, son constantes.
Relación entre trabajo y calor
Tanto el calor como el trabajo son modos en que los cuerpos y los sistemas transforman su energía. Esto permite establecer un equivalente mecánico del calor.
Ejemplo: 
De trabajo mecánico a calor: Frota dos bloques de hielo, y comprobarás que se derriten, aún cuando estés en una cámara frigorífica a una temperatura menor de 0 ºC.
De calor a trabajo mecánico: En una máquina de vapor, la expansión del vapor de agua que se calienta produce el desplazamiento del pistón.
Trabajo y calor son métodos de transferencia de energía. Utilizan la misma unidad de medida en el Sistema Internacional, el julio (J). Además, es habitual utilizar la caloría (cal) para medir el calor. La conversión entre calorías y julios viene dada por:
1 cal = 4.184 J ⇔ 1 J = 0.24 cal
Esta relación entre trabajo y calor, que hoy vemos de manera clara, no lo fue hasta el S. XIX. El estudio del trabajo y del calor eran disciplinas separadas: la mecánica y la termología respectivamente. Así también las unidades en que se medían cada uno, julio y caloría. A mediados del S. XIX el científico inglés James Prescott Joule diseñó un dispositivo capaz de medir el equivalente mecánico del calor, logrando la equivalencia anterior
Experimento de Joule
Joule ideó una máquina conformada por una pesa unida a unas aspas por medio de un sistema de poleas, que se encuentran sumergidas en un recipiente de vidrio lleno de agua. Cuando se deja caer la pesa desde la posición A hasta B, tal y como se muestra en la figura, esta pierde su energía potencial invirtiéndose en girar las aspas dentro del líquido. La fricción de las aspas con el agua provoca un aumento de la temperatura del mismo. A partir de los resultados obtenidos con esta máquina se obtuvo la equivalencia  1 cal = 4.184 J ⇔ 1 J = 0.24 cal
¿Qué estudia la termodinámica?
La termodinámica es la parte de la física que 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.
Tiene las siguientes características:
Se aplica al estudio de sistemas que contienen muchas partículas y no al estudio de moléculas, átomos o partículas subatómicas
Estudia el sistema en situaciones de equilibrio, que son aquellas a las que sistema tiende a evolucionar y caracterizadas porque en ellas todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas
Sus postulados son indemostrables, están basados en las experiencias y no en razonamientos teóricos
Componentes de un sistema termodinámico
Sistema
El sistema es la parte del universo que vamos a estudiar. Por ejemplo, un gas, nuestro cuerpo o la atmósfera son ejemplos de sistemas que podemos estudiar desde el punto de vista termodinámica.
Los sistemas se clasifican en:
Componentes de un sistema termodinámico
Entorno o ambiente
Todo aquello que no es sistema y que se sitúa alrededor de él, se denomina ambiente o entorno. Los sistemas interaccionan con el entorno transfiriendo masa, energía o las dos cosas.
Frontera o paredes del sistema
A través de ellas se comunica el sistema con el entorno. 
 Existen los siguientes tipos:
 Fijas: Mantienen el volumen constante
 Móviles: El volumen es variable y depende de la presión en el lado del sistema y . de la del entorno
 Conductoras o diatérmanas: Al conducir calor permiten que la temperatura a . . ambos lados de la misma sea igual
 Adiabáticas: No conducen calor. Son los aislantes térmicos
Variables y ecuación de estado
Las variables de estado son el conjunto de valores que adoptan ciertas variables físicas y químicas, que nos permiten caracterizar el sistema. A las variables de estado también se las llama funciones de estado. No todos los sistemas termodinámicos tienen el mismo conjunto de variables de estado. En el caso de los gases son:
Presión
Volumen
Masa
Temperatura
Las variables de estado de una sustancia se relacionan a través de una ecuación de estado propia de la sustancia de manera que, estableciendo un valor a varias de ellas, quedan determinadas el resto. Por ejemplo, se comprueba experimentalmente que si establecemos  el volumen y la temperatura de una determinada cantidad de un gas, su presión no se puede modificar.
La ecuación de estado de los gases ideales sigue la expresión:
P=Presión (atm; pa)
V= Volumen (
N= Numero de moles (mol)
R= cte. universal de gases (J / mol·K)
T= Temperatura (Kelvin; Celsius)
Energía térmica (
Energía que fluye de un cuerpo a otro debido a la diferencia de temperatura .
Energía interna
La energía interna de un sistema es una caracterización macroscópica de la energía microscópica de todas las partículas que lo componen. Un sistema está formado por gran cantidad de partículas en movimiento. Cada una de ellas posee:
Energía cinética: Por el hecho de encontrarse a una determinada velocidad.
Energía potencial gravitatoria: Por el hecho de encontrarse en determinadas posiciones unas respecto de otras .
Energía potencial elástica: Por el hecho vibrar en el interior del sistema.
En termodinámica la energía interna de un sistema (U) es una variable de estado. Representa la suma de todas las energías de las partículas microscópicas que componen el sistema. Su unidad de medida es el julio (J).
Energía interna en gases ideales
La energía interna de un gas ideal depende únicamente de la temperatura que tenga el gas. La variación de energía interna que experimenta un gas al cambiar de temperatura es: 
∆U : Incremento de energía interna del gas.
m : Masa.
cv : Calor específico a volumen constante.
∆T : Variación de temperatura. 
Cambio en la energía interna
Trabajo efectuado por un sistema
Relación entre la energía interna , trabajo y el calor.
Criterio de signos en termodinámica
Existen dos criterios de signos en termodinámica para relacionar el trabajo y el calor que intercambia un sistema con el entorno:
Criterio de la IUPAC: Se considera positivo todo lo que aumenta la energía del sistema, es decir, calor recibido y trabajo recibido
Criterio de signos en termodinámica
Criterio Tradicional: Se considera positivo el calor recibido por el sistema y el trabajo que realiza el sistema sobre el entorno. Este criterio es útil en el estudio de máquinas térmicas en el que interesa que el trabajo realizado por las máquinas sea positivo
Leyes de la termodinámica
Primera Ley de la Termodinámica o principio de conservación de la energía: 
La primera ley de la termodinámica relaciona el trabajo y el calor transferido, intercambiado en un sistema a través de una nueva variable termodinámica, la energía interna. Dicha energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.
Señala que, si un sistema hace un intercambio de calor con otro, su propia energía interna se transformará. El calor, en este sentido, constituye la energía que un sistema tiene que permutar si necesita compensar los contrastes surgidos al comparar el esfuerzo y la energía interior.
 ∆E = Energía interna del sistema.
 Q = Calor intercambiado por el sistema a través de unas paredes bien definidas.
W = Es el trabajo intercambiado por el sistema a sus alrededores.
Criterio de signosen termodinámica
Ejemplo:
Establece, de acuerdo a los dos criterios de signos estudiados, el signo para el calor y el trabajo en los siguientes sistemas termodinámicos:
Una lámina de metal a 80 ºC  se introduce en un recipiente con agua a -10 º (el sistema es la lámina de metal).
Una cinta elástica es estirada bruscamente.
Utilizamos el gas de una botella a presión para inflar un neumático con paredes aislantes (el sistema es el gas).
Leyes de la termodinámica
Ley Cero de la Termodinámica o de equilibrio térmico.
Primera Ley de la Termodinámica o principio de conservación de la energía.
Segunda Ley de la Termodinámica.
Tercera Ley de la Termodinámica.
Trabajo efectuado por un sistema y el cambio de volumen
Trabajo (W) realizado por un gas y el cambio de volumen
Proceso isobarico
Se realiza a presión constante.
Proceso isocórico o isovolumétrico
Proceso isotérmico
Proceso adiabático
Cambio en la energía interna de un sistema , en un proceso adiabático. 
Trabajo de un un proceso adiabático
Eficiencia de una maquina térmica
Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot es el ciclo de mayor eficiencia posible para una maquina térmica. Una maquina térmica que opera de acuerdo a este ciclo , entre un recipiente caliente (Tc) y recipiente frio (Tf) tiene una eficiencia expresada como: 
Eficiencia máxima = 
Ejemplo de ciclo de Carnot.
Problemas de aplicación.
1.- En cierto proceso ,8000 calorías de calor son suministradas a un sistema mientras que este efectúa un trabajo de 6000 J 
¿En cuanto cambio la energía interna del sistema durante el proceso?
(27,5KJ)
2.- El calor especifico del agua es de 4184 J/kgKº.¿En cuantos Joule cambia la energía interna de 50g de agua cuando se calienta desde los 21ºC hasta los 37ºC?
(3,35KJ)
3.- ¿En cuanto cambia la energía interna de 5g de hielo a 0ºC transformándose en agua a 0ºC? (no considere el pequeño cambio de volumen)
(1,67KJ)
4.- un resorte de constante 500N/m , soporta una masa de 400g cuando se encuentra sumergido en 900g de agua . El calor especifico de la masa es de 450 J/kg kº . El resorte se estira 15cm y después de llegar al equilibrio térmico la masa se detiene y no vibra mas de arriba hacia abajo.
¿Cuál es el cambio de la temperatura del agua cuando cesaron las vibraciones?
(0,00142K)
5.- Encuentre para un cubo de hierro de 6cm de lado , cuando se calienta de 20ºC a 300ºC . Para el hierro c= 0,11 cal/g ºC y el coeficiente de dilatación volumétrica es de 3,6 La masa del cubo es 1700g
(218KJ)
6.- Un motor suministra una potencia de 0,4Hp para agitar 5kg de agua . Si se supone que todo el trabajo calienta el agua por fricción 
¿Cuánto tiempo tomara incrementar la temperatura del agua a 6ºC?
(7min)
7.- En cada una de las siguientes situaciones , determine el cambio en la energía interna del sistema 
7.1.- un sistema absorbe 500cal de calor y al mismo tiempo realiza un trabajo de 400J
7.2.- Un sistema absorba 300cal mientras efectúa un trabajo sobre el de 420 J 
7.3.- Mil doscientas calorías son eliminadas de un gas manteniendo su volumen constante 
(1,7 KJ ; 1,68 KJ ; -5KJ)
8.- Se eleva la temperatura desde 10ºC hasta 130ºC de 5kg de gas nitrógeno . Si esto se realiza a presión constante , determine el incremento en energía interna y el trabajo externo que realiza el gas.
(para el gas considere: 
9.- Para cada uno de los siguientes procesos adiabáticos , determine el cambio en la energía interna
9.1.- Un gas efectúa un trabajo de 5J cuando se expande adiabáticamente.
9.2.- Durante una compresión adiabática , se realiza un trabajo de 80J sobre un gas.
(-5J ; +80J ) 
10.- Se eñleva la temperatura desde 10ºC hasta 130ºC de 5kg de nitrógeno. Si esto se realiza a presión constante , determine el incremento en energía interna que realiza el gas. (para el gas nitrógeno 
)
( 180KJ)
11.- un kilogramo de vapor a 100ºC y 101Kpa ocupa 1,68
11.1.- ¿Qué fracción de calor de vaporización experimental se considera para la expansión del agua cuando se vaporiza a 100ºC?
11.2.- determine el incremento en la energía interna de 1kg de agua cuando se vaporiza a 100ºC
(0,075 ; 2,07MJ)
12.- Para el gas nitrógeno . Determine el calor especifico a presión constante .
(1040J/kgºK )
13.- ¿Cuánto trabajo realiza un gas en una expansión isotérmica desde un volumen inicial de 3litros a 20 atm hasta un volumen final de 24 litros.
(12,6 KJ)
14.- en el diagrama p/V que se indica , se presenta un ciclo de un gas en un sistema de piston-cilindro.
¿Cuál es el trabajiok realizado por el gas 
14.1.- En el tramo AB
14.2.- En el tramo BC
14.3.- En el tramo CD.
14.4.- En el tramo DA del ciclo
( 1,00J ; oJ ; -0,50J ; oJ)
15.- Tres kilo moles (6kg) de gas hidrogeno a TPE se expande isobáricamente al doble de su volumen 
15.1.- ¿Cuál es la temperatura final del gas?
15.2.- ¿Cuál es el trabaj0o de expansión efectuado por el gas?
15.3.- ¿Cuánto cambio la energía interna del gas?
15.4.- ¿Cuánto calor entro al gas durante la expansión?
(546ºK ; 6,8MJ ; 16,4 MJ ; 23,2 MJ)
16.- Un cilindro que contiene un gas ideal esta cerrado por un pistón móvil de 8kg y de área 60 centímetros cuadrados , como se indica en la figura . La presión atmosférica es de 100Kpa . Cuando el gas es calentado desde 30ºC hasta 100ºC , el pistón se eleva 20cm . Entonces, el pistón se asegura en ese lugar , el gas se enfría nuevamente a 30ºC . Considere que el calor cedido al gas en el proceso de calentamiento y el calor perdido durante el enfriamiento , encuentre la diferencia entre y 
(32,5 cal)
Montoya.