principis termodinàmics
Per entendre, de forma fàcil, l'ampli i complex món de la termodinàmica, es recomana anar pas a pas començant amb repàs de termes bàsics, una introducció als principis termodinàmics, per després estudiar amb més profunditat les lleis termodinàmiques, com s'expressen matemàticament i les seves aplicacions.
Amb les quatre lleis de la termodinàmica (llei zero, primera llei, segona llei i tercera llei), es descriu com funcionen les transferències i transformacions d'energia entre diferents sistemes; sent la base per comprendre molts fenòmens fisicoquímics de la natura.
Repàs de conceptes bàsics
Et convidem a veure l'article TERMODINÀMICA, què és i les seves aplicacions
Pots complementar aquesta informació amb l'article La Potència de la Llei de Watt (Aplicacions - Exercicis) Per ara SEGUIM ...
Formes d'Energia
L'energia, propietat dels cossos de transformar-se modificant la seva situació o estat es presenta en moltes formes, com ara l'energia cinètica, l'energia potencial i l'energia interna dels cossos. Veure figura 1.
Treball
És el producte d'una força pel desplaçament, mesurats ambdós en la mateixa direcció. Per al càlcul de la feina es fa servir la component de la força que és paral·lela a l'desplaçament de l'objecte. El treball es mesura en Nm, Joule (J), pie.lb-f o en BTU. Veure figura 2.
Calor (Q)
Transferència d'energia tèrmica entre dos cossos que estan a diferents temperatures, i només ocorre en el sentit en què disminueix la temperatura. La calor es mesura en Joule, BTU, lliures-peu, o en calories. Veure figura 3.
principis termodinàmics
Llei Zero - Principi Zero
La llei zero de la termodinàmica estableix que si dos objectes, A i B, estan en equilibri tèrmic entre si, i l'objecte A està en equilibri amb un tercer objecte C, després l'objecte B està en equilibri tèrmic amb l'objecte C. El equilibri tèrmic es presenta quan dos o més cossos es troben a la mateixa temperatura. Veure figura 4.
Aquesta llei, es considera una llei bàsica de la termodinàmica. Va ser postulada com a "Llei zero", l'any 1935, ja que es va postular després que es fes amb la primera i segona llei de termodinàmica.
1era Llei de la Termodinàmica (Principi de la conservació de l'energia)
Enunciat de la Primera Llei de la Termodinàmica:
La primera llei de la termodinàmica, també coneguda com a principi de conservació de l'energia, estableix que l'energia no es crea ni es destrueix, només es transforma en un altre tipus d'energia, o es transfereix d'un objecte a un altre. Així la quantitat total d'energia en l'univers no canvia.
La primera llei es compleix en "tot", l'energia es transfereix i es transforma contínuament, per exemple, en alguns artefactes elèctrics, com les batedores i liquadores, es transforma l'energia elèctrica en energia mecànica i tèrmica, en el cos humà es transformen l'energia química dels aliments que s'ingereixen en energia cinètica quan el cos està en moviment, o altres exemples com els mostrats a la figura 5.
Equació de la Primera Llei de la Termodinàmica:
L'equació de la primera llei dins dels principis termodinàmics expressa el balanç que ha d'existir entre els diferents tipus d'energia en un procés determinat. Ja que, en sistemes tancats [1], els intercanvis d'energia es poden donar únicament per la transferència de calor, o pel treball realitzat (per o sobre el sistema) s'estableix que la variació d'energia d'un sistema és igual a la suma de les transferències d'energia mitjançant la calor i mitjançant el treball. Veure figura 6.
Considerant que les energies que es consideren en aquest balanç energètic són l'energia cinètica, l'energia potencial i l'energia interna [1], el balanç energètic, per a sistemes tancats queda com es mostra a la figura 7.
- (Eq) Energia Cinètica, a causa de el moviment d'un cos;
- (Ep) Energia Potencial, deguda a la posició d'un cos en un camp gravitacional;
- (U) Energia Interna, deguda a les contribucions microscòpiques de l'energia cinètica i potencial de les molècules internes d'un cos.
Exercici 1.
Un recipient segellat conté una substància, amb una energia inicial de 10 kJ. La substància s'agita amb una hèlix que realitza un treball de 500 J, mentre que una font de calor li transfereix a la substància 20 kJ de calor. A més, durant el procés s'alliberen a l'aire 3kJ de calor. Determinar l'energia final de la substància. Veure figura 8.
Solució:
A la figura 9 es pot observar la calor afegit per la font calor, el qual es considera "positiu" ja que incrementa l'energia de la substància, la calor que s'allibera a l'aire, negatiu ja que disminueix l'energia de la substància, i el treball de l'hèlix, que a l'incrementa l'energia tom signe positiu.
A la figura 10 es planteja el balanç energètic, segons la primera llei de la termodinàmica i s'obté l'energia final de la substància.
Segona llei de la termodinàmica
Hi ha diversos enunciats de la segona llei de termodinàmica: Enunciat de Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Cadascun d'ells mostra un aspecte diferent de la segona llei. En general la segona llei de la termodinàmica postula:
- La direcció dels processos termodinàmics, irreversibilitat dels fenòmens físics.
- L'eficiència de les màquines tèrmiques.
- Introdueix la propietat "entropia".
Direcció dels processos termodinàmics:
De forma espontània a la natura, l'energia flueix o es transfereix des de l'estat de major energia a el de menor energia. La calor flueix dels cossos calents als cossos freds i no a l'contrari. Veure figura 11.
Eficiència o rendiment tèrmic:
Segons la primera llei de termodinàmica, l'energia no es crea ni es destrueix, però pot transformar-se o transferir. Però en totes les transferències o transformacions d'energia una quantitat de la mateixa no és útil per realitzar treball. A l'transferir o transformar l'energia, part de l'energia inicial s'allibera com a energia tèrmica: l'energia es degrada, perd qualitat.
En tota transformació energètica la quantitat d'energia que s'obté és sempre menor que l'energia subministrada. L'eficiència tèrmica és la quantitat de calor de la font que es converteix en treball, la relació entre l'energia útil obtinguda i l'energia aportada a una transformació. Veure figura 12.
Màquina Tèrmica o Màquina de calor:
La màquina tèrmica és un dispositiu converteix parcialment la calor en treball o energia mecànica, per a això es requereix d'una font que subministri calor a alta temperatura.
A les màquines tèrmiques s'utilitza d'una substància com el vapor d'aigua, l'aire o combustible. La substància pateix una sèrie de transformacions termodinàmiques de forma cíclica, perquè la màquina pugui funcionar de forma contínua.
Exercici 2.
El motor d'un vehicle de càrrega produeix calor a la combustió a l'cremar gasolina. Per cada cicle de l'motor, la calor de 5 kJ esdevé 1kJ de treball mecànic. Quina és l'eficiència de l'motor? Quant calor es rebutja per cada cicle de l'motor? Veure figura 13
Solució:
Per determinar la calor alliberat, es parteix que en les maquines tèrmiques el treball net és igual a la transferència de calor net a el sistema. Veure figura 14.
entropia:
L'entropia és el grau d'aleatorietat o desordre en un sistema. L'entropia permet quantificar la part de l'energia que no pot utilitzar-se per produir treball, és a dir, permet quantificar la irreversibilitat d'un procés termodinàmic.
Cada transferència d'energia que es produeix augmenta l'entropia de l'univers i redueix la quantitat d'energia utilitzable disponible per realitzar treball. Qualsevol procés termodinàmic procedirà en una direcció que augmenti l'entropia total de l'univers. Veure figura 15.
3era Llei de la Termodinàmica
Tercera Llei de la Termodinàmica o Postulat de Nerst
La tercera llei de la termodinàmica està relacionada amb la temperatura i el refredament. Estableix que l'entropia d'un sistema en el zero absolut, és una constant definida. Veure figura 16.
El zero absolut és la temperatura més baixa per sota de la qual ja no hi ha una mesura menor, és el més fred que un cos pot estar. El zero absolut és 0 K, equivalent a -273,15 ºC.
Conclusió
Són quatre els principis termodinàmics. Al principi zero s'estableix que l'equilibri tèrmic es presenta quan dos o més cossos es troben a la mateixa temperatura.
La primera llei de termodinàmica tracta sobre la conservació de l'energia entre els processos, mentre que la segona llei de la termodinàmica tracta sobre la direccionalitat de menor a major entropia, ia l'eficiència o rendiment de les màquines tèrmiques que converteixen la calor en treball.
La tercera llei de la termodinàmica està relacionada amb la temperatura i el refredament, estableix que l'entropia d'un sistema en el zero absolut, és una constant definida.