Leyes de la termodinámica

Los gases ideales cumplen con P Vol = n R T, donde sus variables pueden tener diferentes tipos de comportamiento, por ejemplo aumentar el volumen manteniendo la temperatura constante o bien manteniendo la presioón constante. Al igual puede ocurrir con las de más variables. Algunos de estos cambios tienen nombres especiales:

  • Isotérmico: proceso en el cual se dan variaciones de presión y volumen sin alterar la temperatura del gas.
  • Isobárico: Se presentan cambios en los volumenes y los temperaturas, sin variar la presión del gas.
  • Isocórico:  se dan variaciones en la presión y la temperatura sin que cambie el volumen del gas. Este caso corresponde por ejemplo al uso de  ollas de presión.
  • Adiabático: Cambios en el gas sin que se altere la energía del sistema.

 

Ley cero de la termodinámica

Si un sistema A se encuentra en equilibrio térmico respecto a todas sus partes y en equilibrio térmico respecto a otro sistema B, si B se encuentra en equilibrio térmico con otro sistema C, obligatoriamente el sistema A estará en equilibrio respecto al sistema C. Esta ley se aplica en aquellos casos que se colocan diferentes sustancia  a temperaturas diferentes y se dá la transferencia  de calor hasta que todas sus partes se encuentren a la temperatura de equilibrio (ver el tema de calor).

Primera ley de la termodinámica

 La ley conservación de la energía menciona que la energía no se crea ni se destruye solamente se transforma. La primera ley de la termodinámica es una consecuencia de dicha ley. Durante los procesos  de un gas se pueden dar variaciones, con ingreso de energía externa o sin él. Para los gases se mencionan dos tipos de cambio de energía, una debido a variaciones de volumen denominada trabajo  (W) y otra referente a la temperatra denominada energía. interna (ΔU).

W = ∫  P d Vol   y   ΔU  = n cv ΔT

Segunda ley de la termodinámica

Esta ley tiene varios enunciados, que mencionan:

  • Clausius: define el sentido en que puede darse el proceso, indicando que no es posible la extraccción de calor de un recipiente a cierta temperatura y absorción  igual de calor de un recipiente de mayor temperatura.
  • Kelvin: menciona la imposibilidad de convertir toda la energía suministrada en un proceso en trabajo útil.

En fin, se menciona que solamente una fracción de la energía energía suministrada al sistema se convertirá en trabajo útil. Es decir:

W = Qentra - Qsale

Qsale se refiere a pérdidas de calor y Qentra  es  la energía suministrada al sistema para realizar el trabajo deseado.

La eficiencia de un ciclo  se calcula mediante:

%Eficiencia = Wneto* 100/Qsuministrado

o bien %eficiencia = (Qsuministrado -Qemitido)*100/Qsuministrado

Ejercicios:

1. Se tien un mol de gas ideal que es sometido a varios procesos, donde se le suministro en el primer proceso 20 J, luego en el segundo emitió 10 J, en el tercero, absorbió 20 J y en el último proceso emitió 25 J. Calcule: a) el trajo neto realizado por ciclo y b) la eficiencia del ciclo.

Solución:

Qsumnistrado = 2o J + 20 J = 40 J

Qemitido= 10 J + 25 J = 35 J

Wneto = Qabsorbido - Qemitido = 40 J - 35 = 5 J

Respuesta el trabajo neto por ciclo esde 5 J

%eficiencia = 5 * 100 /40 = 12,5 %

Respuesta: La eficiencia del ciclo es de 12,5 %.

2.- Un gas es sometido a una serie de procesos que forman un ciclo con una eficiencia del 20 %. Si la energía suministrada por ciclo es de 50 J, determine: a) el trabajo neto por ciclo y b) la energía emitida por ciclo.

Solución:

20% = Wneto *100/50

Wneto = 20*50/100 J = 10 J

Respuesta: El trabajo neto por ciclo es de 10 J.

Qemitido = Qsuministrado -Wneto = 50J - 10 J = 40 J

Respuesta: La energía emitida por ciclo es de 40 J.

Diagramas de presión vrs volumen

Los ciclos de un sistema termodinámico utilizado para generar un trabajo útil, se pueden emplear diagramas P-Vol.  Es muy útil para observar el comportamiento del gas a través de un ciclo. Por otro lado, un ciclo está conformado por varios procesos termodinámicos aplicados a un gas que regresa al estado incial. El diagrama posee dos ejes, el vertical corresponde a valores de presión y el horizontal corresponde a valores de volumen del gas.

Diagrama presión volumen

 

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