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