Posteado por: guezkoez | diciembre 16, 2009

Energia Interna

 

La energía interna de un sistema, es el resultado de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energía de rotación y vibración, además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear, que constituyen conjuntamente las interacciones fundamentales.

Convencionalmente, cuando se produce una variación de la energía interna sin que se modifique la composición química del sistema, se habla de variación de la energía interna sensible. Si se produce alteración de la estructura atómica-molecular, como es el caso de lasreacciones químicas, se habla de variación de la energía interna química. Finalmente, en las reacciones de fisión y fusión se habla de energía interna nuclear.

En todo sistema aislado (que no puede intercambiar energía con el exterior), la energía interna se conserva (Primer Principio de laTermodinámica).

En física, la energía interna U de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Más concretamente, es la suma de:

  • la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de
  • la energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades.

La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo.

 energía cinética de las moléculas o átomos que constituyen el sistema (de sus energías de traslación, rotación y vibración), y de la energía potencial intermolecular (debida a las fuerzas intermoleculares).

  • En un gas ideal monoatómico bastará con considerar la energía cinética de traslación de sus moléculas.
  • En un gas ideal poliatómico, deberemos considerar además la energía vibracional y rotacional de las mismas.
  • En un líquido o sólido deberemos añadir la energía potencial que representa las interacciones moleculares.

Desde el punto de vista de la termodinámica, en un sistema cerrado (o sea, de paredes impermeables), la variación total de energía interna es igual a la suma de las cantidades de energía comunicadas al sistema en forma de calor y de trabajo ΔU = Q − W. Aunque el calor transmitido depende del proceso en cuestión, la variación de energía interna es independiente del proceso, sólo depende del estado inicial y final, por lo que se dice que es una función de estado. Del mismo modo dU es una diferencial exacta, a diferencia de \partial Q, que depende del proceso.

 Temperatura

La temperatura esta, específicamente, relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como “energía sensible”, que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que es mayor la energía sensible de un sistema se observa que esta más “caliente” es decir, que su temperatura es mayor. 

En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también). 

Dicho lo anterior, se puede definir la temperatura como la cuantificación de la actividad molecular de la materia. 

La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor “cero kelvin” (0 K) al “cero absoluto”, y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado C 

Una definición de temperatura se puede obtener de la Ley cero de la termodinámica, que establece que si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico, con un tercer sistema C, entonces los sistemas A y B estarán en equilibrio térmico entre sí. Este es un hecho empírico más que un resultado teórico. Ya que tanto los sistemas A, B, y C están todos en equilibrio térmico, es razonable decir que comparten un valor común de alguna propiedad física. Llamamos a esta propiedad temperatura. 

También es posible definir la temperatura en términos de la segunda ley de la termodinámica, la cual dice que laentropía de todos los sistemas, o bien permanece igual o bien aumenta con el tiempo, esto se aplica al Universo entero como sistema termodinámico. La entropía es una medida del desorden que hay en un sistema. Este concepto puede ser entendido en términos estadísticos, considere una serie de tiros de monedas. Un sistema perfectamente ordenado para la serie, sería aquel en que solo cae cara o solo cae cruz. Sin embargo, existen múltiples combinaciones por las cuales el resultado es un desorden en el sistema, es decir que haya una fracción de caras y otra de cruces. Un sistema desordenado podría ser aquel en el que hay 90% de caras y 10% de cruces, o 60% de caras y 40% de cruces. Sin embargo es claro que a medida que se hacen más tiros, el número de combinaciones posibles por las cuales el sistema se desordena es mayor; en otras palabras el sistema evoluciona naturalmente hacia un estado de desorden máximo es decir 50% caras 50% cruces de tal manera que cualquier variación fuera de ese estado es altamente improbable. 

Para dar la definición de temperatura en base a la segunda ley, habrá que introducir el concepto de máquina térmica la cual es cualquier dispositivo capaz de transformar calor en trabajo mecánico. En particular interesa conocer el planteamiento teórico de la máquina de Carnot, que es una máquina térmica de construcción teórica, que establece los límites teóricos para la eficiencia de cualquier máquina térmica real. 

 En una máquina térmica cualquiera, el trabajo que esta realiza corresponde a la diferencia entre el calor que se le suministra y el calor que sale de ella. Por lo tanto, la eficiencia es el trabajo que realiza la máquina dividido entre el calor que se le suministra: 

                                                                      

 

Calor y Trabajo

Calor y trabajo son ambos formas de energía en tránsito de unos cuerpos o sistemas a otros, deben estar relacionadas entre sí. La comprobación de este tipo de relación fue uno de los objetivos experimentales perseguidos con insistencia por el físico inglés James Prescott Joule (1818-1889). Aun cuando efectuó diferentes experimentos en busca de dicha relación, el más conocido consistió en determinar el calor producido dentro de un calorímetro a consecuencia del rozamiento con el agua del calorímetro de un sistema de paletas giratorias y compararlo posteriormente con el trabajo necesario para moverlas. 

La energía mecánica puesta en juego era controlada en el experimento de Joule haciendo caer unas pesas cuya energía potencial inicial podía calcularse fácilmente de modo que el trabajo W, como variación de la energía mecánica, vendría dado por: 

W = Δ Ep = m.g.h 
 

siendo m la masa de las pesas, h la altura desde la que caen y g la aceleración de la gravedad. Por su parte, el calor liberado por la agitación del agua que producían las aspas en movimiento daba lugar a un aumento de la temperatura del calorímetro y la aplicación de la ecuación calorimétrica: 

Q = m c (Tf– Ti) 
 

permitía determinar el valor de Q y compararlo con el de W. Tras una serie de experiencias en las que mejoró progresivamente sus resultados, llegó a encontrar que el trabajo realizado sobre el sistema y el calor liberado en el calorímetro guardaban siempre una relación constante y aproximadamente igual a 4,2. Es decir, por cada 4,2 joules de trabajo realizado se le comunicaba al calorímetro una cantidad de calor igual a una caloría. Ese valor denominadoequivalente mecánico del calor se conoce hoy con más precisión y es considerado como 4,184 joules/calorías. La relación numérica entre calor Q y trabajo W puede, entonces, escribirse en la forma: 

W (joules) = 4,18.Q (calorías) 

 

Posteado por: guezkoez | diciembre 16, 2009

Experiemto de Conveccion

Se observa como al poner un matráz con agua coloreada a 90º en un cubeta con agua fría, el líguido sube disminuyendo su densidad, luego se enfría, contrae aumentando su densidad y desciende.  

Posteado por: guezkoez | diciembre 16, 2009

El Calor y la Temperatura

Posteado por: guezkoez | diciembre 16, 2009

Vapor de Agua

El vapor de agua es un gas que se obtiene por evaporación o ebullición del agua líquida o por sublimación del hielo, es inodoro e incoloro. Para obtener vapor de agua se debe calentar al agua líquida hasta el punto de ebullición que es de 100°C a una presión constante o forzando a la sublimación al agua en estado sólido.

La atmósfera terrestre contiene cantidades variables de agua en forma de vapor. La mayor parte del mismo se encuentra en los primeros 5 kilómetros del aire, dentro de la troposfera. Procede de diversas fuentes terrestres gracias al fenómeno de la evaporación y es ayudado por el calor solar y por la temperatura propia de la tierra.

El vapor de agua que se encuentra en la atmósfera proviene, principalmente, de la evaporación de los mares. La evaporación es el paso de una sustancia líquida al estado de vapor. Este proceso se realiza solamente en la superficie del líquido y a cualquier temperatura aunque, en igualdad de condiciones, este fenómeno es acelerado cuanto mayor es la temperatura reinante.

El vapor de agua se divide en varias categorías dependiendo de su humedad, a continuación se definen a detalle cada uno de estos:

Vapor saturado húmedo: Es el vapor con gran concentración de partículas de agua dentro, lo que lo hace muy húmedo.

Vapor saturado seco: Es el vapor saturado húmedo que después de ser calentado, pierde las moléculas de agua casi es su totalidad, pero manteniendo la temperatura estable. Esto provoca que el vapor carezca de humedad.

Vapor sobrecalentado o recalentado: Este vapor tiene una temperatura más elevada que la del punto de ebullición. Al vapor saturado seco, se le somete a temperaturas mayores, logrando asi la obtención de vapor recalentado.

La zona de vapor húmedo (también conocida como la zona de dos fases) representa todos los valores del vapor en su condición de húmedo. Sus lindes son la línea de agua saturada y la línea del vapor saturado.

Cuando añadimos calor al vapor en cualquier punto de la zona de vapor húmedo hace que se seque el vapor, pero siempre a la misma temperatura. Cuanto más seco el vapor, más cercano estará a la línea de vapor saturado seco.

Posteado por: guezkoez | diciembre 16, 2009

Definiciones Basicas

 

Energía: Palabra de origen griego que deriva del vocablo en (dentro) – érgon (acción, trabajo), significa pues fuerza en acción, o capacidad para producir trabajo, es el protagonista principal de la Termodinámica.

Termodinámica: Ciencia que estudia la conversión de unas formas de la energía en otras. En su sentido etimológico, podría decirse que trata del calor y del trabajo, pero por extensión, de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan relación con el calor y el trabajo.

Sistema: Es aquella única porción del universo en la cual estamos interesados. Típicos sistemas termodinámicos pueden ser: una cierta cantidad de gas, un líquido y su vapor, una mezcla de dos líquidos, una solución, un sólido cristalino, etc.

Ambiente o medio ambiente: Todo lo que se encuentra en el universo, con excepción del sistema, se denomina ambiente. Es decir es la parte del universo próxima al sistema y que se ve afectada en alguna medida por los procesos que ocurren en el sistema.

Limite: Es la pared, contorno o borde real o imaginario que separa el sistema del ambiente. En Termodinámica se supone que el límite de un sistema es una superficie matemática, a la que atribuimos ciertas propiedades ideales como rigidez, impermeabilidad, entre otros. Los límites reales tan sólo se aproximan a las propiedades de los límites ideales de la Termodinámica. Un sistema se dice cerrado cuando está rodeado por un límite impermeable a la materia, y abierto cuando está rodeado por un límite permeable. De modo que los límites permiten establecer una clasificación de los Sistemas.

Fase: él termino fase se refiere a la cantidad de materia que es homogénea tanto en composición química como en estructura física. La homogeneidad en estructura física significa que la materia es completamente sólida, liquido o vapor. Un sistema puede contener una o más fases como por ejemplo: un sistema agua-vapor contiene dos fases. Cuando hay más de una fase estas fases son separadas por fronteras de fase.

Propiedades: Son las características macroscópicas de un sistema tal como la masa, energía, volumen, presión y temperatura, a las cuales se les puede asignar un valor en un tiempo dado conociendo la historia de un sistema termodinámico a la trayectoria seguida del mismo durante un proceso, desde un estado inicial hasta otro final.

Estado: La palabra estado se refiere a la condición de sus sistemas como descrito por sus propiedades. Cuando cualquiera de las propiedades de sistemas cambia el estado cambia, entonces, dice que el sistema estuvo sujeto a un proceso.

Proceso: Es una transformación de un estado a otro, sin embargo si un sistema muestra los mismos valores de sus propiedades en dos instantes diferentes, el sistema se encuentra en el mismo estado que esos instantes. Se dice que un sistema se encuentra en estado estable si ninguna de sus propiedades cambia con el tiempo.

Ciclo termodinámico: Un ciclo es cuando una substancia pasa a través de una serie de procesos y su estado final es idéntico a su estado inicial.

Sistema termodinámico típico mostrando 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 por una serie de pistones.

Posteado por: guezkoez | diciembre 16, 2009

Encuesta

Posteado por: guezkoez | diciembre 15, 2009

Ley de los gases

Posteado por: guezkoez | diciembre 15, 2009

Propiedades Termodinamicas

Tablas de vapor saturado

V = volumen específico, pie3/Ibm

H = entalpía específica, Btu/lbm

S = entropía específica, Btu/lbm·ºR

 

Diagrama de Mollier

El diagrama de Mollier es una representación de las propiedades del agua y vapor de agua. Se usa un sistema principal de coordenadas H-S (Entalpía-Entropía).

 

En el diagrama la línea de saturación (borde de la campana de cambio de fase) es una línea de importancia. Separa la zona de líquido saturado de la zona de vapor sobrecalentado. Dentro de la campana de cambio de fase las isóbaras se confunden con las isotermas. Es decir si la condensación es a presión constante, también será a temperatura constante. Una propiedad importante de estas líneas de condensación es que son rectas.

El punto de origen del diagrama de Mollier (coordenadas 0) es a 1 atm. de presión y 0ºC de temperatura. Allí se fija a la entropía y entalpía con valor 0.

Ciclo termodinámico

El círculo de la imagen representa a un sistema que evoluciona a través de ciclos termodinámicos.

Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir, que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula.

No obstante, a variables como el calor o el trabajo no es aplicable lo anteriormente dicho ya que éstas no son funciones de estado del sistema, sino transferencias de energía entre éste y su entorno. Un hecho característico de los ciclos termodinámicos es que la primera ley de la termodinámica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema debe de ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistema.

Posteado por: guezkoez | diciembre 15, 2009

Balances de Energia

En realidad un balance de exergía no es más que la combinación de un balance de energía y de entropía, que derivan a su vez del primer y segundo principio de la termodinámica. No es por tanto un resultado independiente, pero puede utilizarse como formulación alternativa de la segunda ley de la termodinámica.

Como alternativa al principio de incremento de entropía, se puede formular la segunda ley estableciendo que, los únicos procesos que puede experimentar un sistema aislado son aquellos en los que la energía del sistema disminuye.

El balance de energía es un método de análisis muy útil a la hora de valorar el rendimiento energético de una instalación, nos da una visión más amplia que el rendimiento térmico. Permite valorar las pérdidas de energía en un proceso, la energía que sería aprovechable de flujos salientes en sistemas abiertos y las ventajas de métodos regenerativos en instalaciones térmicas. Para todo esto la principal herramienta son los diagramas de Shankey

Balance en sistemas cerrados

Un sistema cerrado puede interaccionar con el entorno mediante transferencias de energía en forma de calor o trabajo, que implican una transferencia de energía entre el sistema y el entorno. Esta energía transferida no coincide necesariamente con la variación de energía del sistema, ya que la energía también se destruye como consecuencia de la generación de entropía (todos los procesos reales con transferencia de energía en forma de calor conllevan, además de una transferencia de entropía, una generación de entropía debida a procesos irreversibles dentro del sistema.

La variación de energía del sistema cerrado es igual a la transferencia de energía con el entorno, menos la destrucción de energía T0σ, donde σ representa la generación de entropía, que por el segundo principio, no puede ser negativa.

Balance en sistemas abiertos

Para sistemas abiertos, en los que hay transferencia de masa, se maneja el concepto de energía de flujo, que no es más que la energía asociada a una corriente material que atraviesa un volumen de control determinado. Adaptando la expresión y utilizando magnitudes específicas (por unidad de masa) se tiene:

Donde h, s, C, y z son entalpía, entropía, velocidad, altura del flujo respectivamente. h0,T0,s0son las propiedades evaluadas en el estado muerto. g es la aceleración de la gravedad.

El balance de energía en un sistema abierto como:

Esto es, la variación de energía acumulada dentro del sistema por unidad de tiempo es igual a:

la transferencia de energía asociada a la transmisión de energía en forma de calor, donde Qj representa la velocidad de transferencia de calor a través de una parte de la frontera a temperatura Tj, menos

la velocidad de intercambio de energía por trabajo, excluyendo el trabajo de flujo, más

es la transferencia de energía asociada a la transferencia de masa entre el sistema y el entorno y menos la destrucción de energía por unidad de tiempo causada por irreversibilidades internas del volumen de control.

Posteado por: guezkoez | diciembre 15, 2009

Tipos de Sistemas

Los sistemas termodinámicos se clasifican según el grado de aislamiento que presentan con su entorno. Aplicando este criterio pueden darse tres clases

  

 

  • Sistema aislado: que es aquel que no intercambia ni materia ni energía con su entorno. Un ejemplo de este clase podría ser Un termo ideal (aislado y de paredes rígidas), un gas encerrado en un recipiente de paredes rígidas lo suficientemente gruesas (paredes adiabáticas) como para considerar que los intercambios de energía calorífica sean despreciables, ya que por hipótesis no puede intercambiar energía en forma de trabajo.
  • Sistema cerrado: Es el que puede intercambiar energía pero no materia con el exterior. Multitud de sistemas se pueden englobar en esta clase. El mismo planeta Tierra puede considerarse un sistema cerrado. Una lata de sardinas también podría estar incluida en esta clasificación o cualquier recipiente cerrado no ideal.
  • Sistema abierto: En esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden observarse en la vida cotidiana. Por ejemplo, El cuerpo humano, o un ejemplo mas completo,  un vehículo motorizado es un sistema abierto, ya que intercambia materia con el exterior cuando es cargado, o su conductor se introduce en su interior para conducirlo, o es cargado de combustible en un repostaje, o se consideran los gases que emite por su tubo de escape pero, además, intercambia energía con el entorno. Sólo hay que comprobar el calor que desprende el motor y sus inmediaciones o el trabajo que puede efectuar acarreando carga.

Representación grafica de los tipos de sistemas:

Nota: La mayoría de los sistemas en la vida real son abiertos, mientras que en el laboratorio la mayoría de los sistemas químicos son cerrados.

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