tecnoloxía

Principios termodinámicos

Para comprender dun xeito sinxelo o amplo e complexo mundo da termodinámica, recoméndase ir paso a paso comezando cunha revisión de termos básicos, unha introdución aos principios termodinámicos e estudando máis a fondo as leis termodinámicas, como exprésanse matematicamente. e as súas aplicacións.

Coas catro leis da termodinámica (lei cero, primeira lei, segunda lei e terceira lei), descríbese como funcionan as transferencias e transformacións de enerxía entre diferentes sistemas; sendo a base para comprender moitos fenómenos fisicoquímicos da natureza.

Revisión de conceptos básicos

Convidámoste a ver o artigo TERMODINÁMICA, que é e as súas aplicacións

Termodinámica fácil de cubrir o artigo

Podes complementar esta información co artigo O poder da lei de Watt (Aplicacións - Exercicios) De momento SEGUIMOS ...

Formas de enerxía

A enerxía, propiedade dos corpos de transformarse modificando a súa situación ou estado, ten moitas formas, como enerxía cinética, enerxía potencial e enerxía interna dos corpos. Vexa a figura 1.

Algunhas formas de enerxía presentadas nas leis da termodinámica.

Traballar

É o produto dunha forza e un desprazamento, ambos medidos na mesma dirección. Para calcular o traballo utilízase o compoñente da forza que é paralelo ao desprazamento do obxecto. O traballo mídese en Nm, Joule (J), ft.lb-f ou BTU. Vexa a figura 2.

Traballo Mecánico, un elemento que podemos atopar nos principios da termodinámica.

Calor (Q)

Transferencia de enerxía térmica entre dous corpos que están a temperaturas diferentes, e só se produce no sentido de que a temperatura diminúe. A calor mídese en Joule, BTU, libras-pés ou en calorías. Vexa a figura 3.

Quente

Principios termodinámicos

Lei cero: principio cero

A lei cero da termodinámica establece que se dous obxectos, A e B, están en equilibrio térmico entre si, e o obxecto A está en equilibrio cun terceiro obxecto C, entón o obxecto B está en equilibrio térmico co obxecto C. O equilibrio térmico ocorre cando dous ou máis corpos están á mesma temperatura. Vexa a figura 4.

Exemplo da lei cero da termodinámica.

Esta lei considérase unha lei básica da termodinámica. Postulouse como "lei cero" en 1935, posto que se postulou despois de que se fixesen a primeira e segunda leis da termodinámica.

1a Lei da Termodinámica (Principio de conservación da enerxía)

Declaración da Primeira Lei da Termodinámica:

A primeira lei da termodinámica, tamén coñecida como principio de conservación da enerxía, afirma que a enerxía non se crea nin se destrúe, só se transforma noutro tipo de enerxía ou se transfire dun obxecto a outro. Así, a cantidade total de enerxía no universo non cambia.

A primeira lei cúmprese en "todo", a enerxía transfírese e transfórmase continuamente, por exemplo, nalgúns dispositivos eléctricos, como mesturadores e mesturadores, a enerxía eléctrica transfórmase en enerxía mecánica e térmica, no corpo humano transfórmanse o produto químico enerxía dos alimentos que se inxiren en enerxía cinética cando o corpo está en movemento ou outros exemplos como os que se amosan na figura 5.

Exemplos de transformacións de enerxía dentro das leis da termodinámica.

Ecuación da primeira lei da termodinámica:

A ecuación da primeira lei dentro dos principios termodinámicos expresa o equilibrio que debe existir entre os distintos tipos de enerxía nun proceso dado. Dado que, en sistemas pechados [1], os intercambios de enerxía poden darse só pola transferencia de calor ou polo traballo realizado (por ou no sistema) establécese que a variación de enerxía dun sistema é igual á suma de as transferencias de enerxía a través da calor e do traballo. Vexa a figura 6.

Balance de enerxía para sistemas pechados explicado en principios termodinámicos.

Tendo en conta que as enerxías consideradas neste balance de enerxía son enerxía cinética, enerxía potencial e enerxía interna [1], o balance de enerxía para sistemas pechados mantense como se mostra na figura 7.

  • (Ec) Enerxía cinética, debido ao movemento dun corpo;
  • (Ep) Enerxía potencial, debido á posición dun corpo nun campo gravitatorio;
  • (OU) Enerxía interna, debido ás achegas microscópicas da enerxía cinética e potencial das moléculas internas dun corpo.
Balance enerxético para sistemas pechados

Exercicio 1

Un recipiente pechado contén unha substancia cunha enerxía inicial de 10 kJ. A substancia axítase cunha hélice que traballa 500 J, mentres que unha fonte de calor transfire 20 kJ de calor á substancia. Ademais, 3kJ de calor libérase ao aire durante o proceso. Determina a enerxía final da substancia. Vexa a figura 8.

Enunciado de exercicios termodinámicos
Solución:

Na figura 9 pódese ver a calor engadida pola fonte de calor, que se considera "positiva" xa que aumenta a enerxía da substancia, a calor que se libera ao aire, negativa xa que diminúe a enerxía da substancia e a traballo da hélice, que aumentou a enerxía tivo un signo positivo.

Enfoque: exercicio das leis termodinámicas

Na figura 10 preséntase o balance enerxético, segundo a primeira lei da termodinámica e obtense a enerxía final da substancia.

Solución - Exercicio de termodinámica

Segunda lei da termodinámica

Hai varias afirmacións da segunda lei da termodinámica: Enunciado de Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Cada un deles mostra un aspecto diferente da segunda lei. En xeral, a segunda lei da termodinámica postula:

  • A dirección dos procesos termodinámicos, irreversibilidade dos fenómenos físicos.
  • A eficiencia das máquinas térmicas.
  • Introduza a propiedade "entropía".

Dirección dos procesos termodinámicos:

Espontaneamente na natureza, a enerxía flúe ou transfírese do estado de enerxía máis alta ao estado de enerxía máis baixa. A calor flúe de corpos quentes a corpos fríos e non ao revés. Vexa a figura 11.

Procesos irreversibles dentro das leis e principios termodinámicos.

Eficiencia ou rendemento térmico:

Segundo a primeira lei da termodinámica, a enerxía nin se crea nin se destrúe, senón que se pode transformar ou transferir. Pero en todas as transferencias ou transformacións de enerxía unha cantidade dela non é útil para traballar. A medida que a enerxía transfírese ou transfórmase, parte da enerxía inicial libérase como enerxía térmica: a enerxía degrádase, perde calidade.

En calquera transformación de enerxía, a cantidade de enerxía obtida é sempre inferior á subministrada. A eficiencia térmica é a cantidade de calor da fonte que se converte en traballo, a relación entre a enerxía útil obtida e a enerxía subministrada nunha transformación. Vexa a figura 12.

A relación entre a enerxía útil obtida e a enerxía subministrada nunha transformación

Máquina térmica ou máquina de calor:

A máquina térmica é un dispositivo que converte parcialmente a calor en traballo ou enerxía mecánica, para o que require unha fonte que subministre calor a alta temperatura.

Nas máquinas térmicas utilízase unha substancia como o vapor de auga, o aire ou o combustible. A substancia sofre unha serie de transformacións termodinámicas de xeito cíclico, para que a máquina poida funcionar continuamente.

Exercicio 2

O motor dun vehículo de carga produce calor na combustión ao queimar gasolina. Para cada ciclo do motor, a calor de 5 kJ convértese en 1 kJ de traballo mecánico. Cal é a eficiencia do motor? Canta calor se libera para cada ciclo do motor? Vexa a figura 13

Exercicio de termodinámica
Solución:
Cálculo de eficiencia

Para determinar a calor liberada, suponse que nas máquinas térmicas o traballo neto é igual á transferencia de calor neta ao sistema. Vexa a figura 14.

Cálculo da calor residual

Entropía:

A entropía é o grao de aleatoriedade ou trastorno nun sistema. A entropía permite cuantificar a parte da enerxía que non se pode usar para producir traballo, é dicir, permite cuantificar a irreversibilidade dun proceso termodinámico.

Cada transferencia de enerxía que se produce aumenta a entropía do universo e reduce a cantidade de enerxía útil dispoñible para traballar. Calquera proceso termodinámico procederá nunha dirección que aumente a entropía total do universo. Vexa a figura 15.

Entropía

3a Lei da Termodinámica

Terceira lei da termodinámica ou postulado de Nerst

A terceira lei da termodinámica está relacionada coa temperatura e o arrefriamento. Afirma que a entropía dun sistema en cero absoluto é unha constante definida. Vexa a figura 16.

O cero absoluto é a temperatura máis baixa por debaixo da cal xa non hai unha medida máis baixa, é a máis fría que pode ter un corpo. O cero absoluto é 0 K, equivalente a -273,15 ºC.

Terceira lei da termodinámica

Conclusión

Hai catro principios termodinámicos. No principio cero establécese que o equilibrio térmico ocorre cando dous ou máis corpos están á mesma temperatura.

A primeira lei da termodinámica trata da conservación da enerxía entre procesos, mentres que a segunda lei da termodinámica trata da direccionalidade de menor a maior entropía e da eficiencia ou rendemento dos motores térmicos que converten a calor en traballo.

A terceira lei da termodinámica está relacionada coa temperatura e o arrefriamento, afirma que a entropía dun sistema a cero absoluto é unha constante definida.

Publicacións relacionadas

Deixe un comentario

A %d bloggers coma este: