Introducción En este ensayo presentare todo sobre la termodinámica intentando que sea de buen agrado para la persona que lo lea, se tratara información completa y detallada sobre la termodinámica y todos sus componentes. Se mostrará mucha información resumida para que el lector pueda comprenderlo de una manera mas fácil y practica y su comprensión sea mas fácil. También se mostraran las leyes y los enunciados que se encuentran dentro del ramo de la termodinámica. Se mostraran por igual los mecanismos, sistemas u objetos que funcionan por medio o gracias a la termodinámica algunos de ellos son el vaso térmico o la máquina de vapor. Este es un tema muy extenso y muy interesante y que espero que sea muy satisfactorio y que la persona que lo lea aprenda y saque mucha información sobre esto. Termodinámica. La Termodinámica es la rama de la fÃ−sica que describe los estados del equilibrio a través de la energÃ−a interna y volumen, también de magnitudes de temperatura y presión que son derivados del volumen y la energÃ−a interna. La termodinámica trata acerca de la transformación de energÃ−a térmica en energÃ−a mecánica y el proceso inverso, la conversión del trabajo en calor, pues casi toda la energÃ−a disponibles de la materia prima se libera en forma de calor resulta fácil advertir por que la termodinámica tiene un papel demasiado importante en la ciencia y la tecnologÃ−a EnergÃ−a Interna La energÃ−a interna, se acepta como una manifestación macroscópica de las leyes de conservación de la energÃ−a a nivel microscópico, que permite caracterizar el estado energético del sistema macroscópico. El desarrollo de la termodinámica depende mucho del sistema termodinámico , el equilibrio, sus alrededores, y la temperatura. Las moléculas de un cuerpo contienen energÃ−a cinética por su movimiento y energÃ−a potencial por las fuerzas que ejercen entre si por lo tanto la energÃ−a interna de un cuerpo es la suma de la energÃ−a cinética y potencial de sus moléculas. Equilibrio Termodinámico El equilibrio termodinámico es aquel en el que dos sistemas se encuentran sus temperaturas, sus presiones y sus potenciales quÃ−micos con el mismo valor. Leyes de la Termodinámica En la termodinámica se encuentran tres leyes, el principio cero y varios enunciados. Todos estos tienen mucha importancia en la termodinámica por que en parte nos ayudan a entender y comprender esta rama de la fÃ−sica. Principio Cero 1 El principio cero de la termodinámica propone que hay una temperatura empÃ−rica 0, que se encuentra comúnmente en los estados del equilibrio termodinámico que están en equilibrio mutuo. Este principio es muy fundamental para la termodinámica y sus leyes, pero no fue formulado en su totalidad hasta que fueron presentadas las demás leyes, por eso recibe el nombre de principio cero. Una de las afirmaciones del principio cero es: "Si un sistema A que está en equilibrio térmico con un sistema B, está en equilibrio térmico también con un sistema C, entonces los tres sistemas A, B y C están en equilibrio térmico entre sÃ−". Primera Ley de la Termodinámica “La energÃ−a no se crea, ni se destruye solo se transforma.” Esta primera ley establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o éste intercambia calor con otro, la energÃ−a interna del sistema cambiará. Desde varios puntos de vista esta ley permite definir el calor como la energÃ−a necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energÃ−a interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824 y su ecuación general es la siguiente: Que nos indica que U es la energÃ−a interna del sistema, Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema. El valor de Q es positivo cuando entra calor al sistema y negativo si sale de el. El valor de W es positivo si el sistema realiza trabajo y negativo si se efectúa trabajo de los alrededores sobre el sistema. 1 Joule = 0.239 Cal 1 Cal = 4.2 Joule Segunda Ley de la Termodinámica Esta ley establece la imposibilidad de convertir completamente toda la energÃ−a de un tipo en otro sin pérdidas. También impone restricciones para las transferencias de energÃ−a que pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud fÃ−sica llamada entropÃ−a, de tal manera que, para un sistema aislado la variación de la entropÃ−a siempre debe ser mayor que cero. Tercera Ley de la termodinámica Esta ley propone y afirma que es posible alcanzar una temperatura de cero absolutos por medio de procesos fÃ−sicos. Esta ley fue propuesta por Walther Nernst. Enunciado de Kelvin “No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente, y lo convierta Ã−ntegramente en trabajo.” Enunciado de Clausius "No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada". Enunciado de Kelvin - Planck 2 “Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energÃ−a desde un depósito, y la realización de una cantidad igual de trabajo.” TermometrÃ−a La termometrÃ−a es la rama encargada de medir la temperatura de los cuerpos y sistemas mediante el termómetro que esta realizado y basado por medio del principio Cero. Escalas de Temperatura Para entender las escalas de la temperatura se puede obtener como ejemplo el termómetro, un instrumento para medir la temperatura, que es realizado a través de procesos en los cuales la temperatura permanece constante. El punto de ebullición es un punto importante para lograr estos procesos de escalas de temperatura. Las escalas de temperatura mas importantes son la de Fahrenheit, Celsius y la de Kelvin. Escala de Fahrenheit Para lograr esta escala se utilizaron puntos fijos, el de solidificación y el de la ebullición del cloruro amónico en agua, y se dice que es grado ° Fahrenheit y se expresa F° Escala Celsius Para esta escala se utilizan como puntos fijos el punto de solidificación del agua y de ebullición del agua, 100 grados para la ebullición y 0 para la solidificación, para estos grados se escriben como ° C. Escala Kelvin En este caso, la escala fue establecida por la escala kelvin, donde el valor de 0° corresponde al cero absoluto, temperatura en la cual las moléculas y átomos de un sistema tienen la mÃ−nima energÃ−a térmica posible. Ningún sistema macroscópico puede tener una temperatura inferior. Escala Rankine Es una escala de temperaturas muy utilizada en los EE.UU., y es semejante a la escala Kelvin. Al igual que esta, presenta un cero en el cero absoluto, por lo que también es una "escala absoluta", con la diferencia de que los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit. Sistema y Ambiente Se puede definir un sistema como un conjunto de materia, que está limitado por una superficie, que le pone el observador, real o imaginaria. Si en el sistema no entra ni sale materia, se dice que se trata de un sistema cerrado, o sistema aislado si no hay intercambio de materia y energÃ−a, dependiendo del caso. En la naturaleza, encontrar un sistema estrictamente aislado es, por lo que sabemos, imposible, pero podemos hacer aproximaciones. Un sistema del que sale o entra materia, recibe el nombre de abierto. Variables Térmicas Las variables que tienen relación con el estado interno de un sistema, se llaman variables termodinámicas o coordenadas termodinámicas, y entre ellas las más importantes en el estudio de la termodinámica son: masa, densidad, volumen, presión y temperatura. 3 El Foco Térmico El foco térmico es un sistema que puede dar y recibir calor sin que pueda cambiar su temperatura. Contacto térmico Se dice que dos sistemas están en contacto térmico cuando puede haber transferencia de calor de un sistema a otro. Vaso Térmico o Vaso Dewar Es un recipiente diseñado para proporcionar aislamiento térmico, disminuir las pérdidas de calor por conducción, convección o radiación. Se utiliza para almacenar lÃ−quidos, frÃ−os o calientes. Funciona por medio de una doble pared que por intermedio tiene vacio Maquina de Vapor Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energÃ−a térmica de una cantidad de agua en energÃ−a mecánica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas: 1 Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela - manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energÃ−a cinética de un volante de inercia. 2 El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro. Procesos termodinámicos Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinámico, o transformación termodinámica, cuando al menos una de las coordenadas termodinámicas no cambia. Los procesos más importantes son: Procesos isotérmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia. Procesos isobáricos: son procesos en los cuales la presión no varÃ−a. Procesos isócoros: son procesos en los que el volumen permanece constante. Procesos adiabáticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna. Procesos diatérmicos: son procesos que dejan pasar el calor fácilmente. Por ejemplo, dentro de un termo donde se colocan agua caliente y cubos de hielo, ocurre un proceso adiabático, ya que el agua caliente se empezará a enfriar debido al hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezará a derretir hasta que ambos estén en equilibrio térmico, sin embargo no hubo transferencia de calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de un proceso adiabático. Rendimiento termodinámico o eficiencia 4 Un concepto importante en la ingenierÃ−a térmica es el de rendimiento. El rendimiento de una máquina térmica se define como: Donde, dependiendo del tipo de máquina térmica, estas energÃ−as serán el calor o el trabajo que se transfieran en determinados subsistemas de la máquina. Teorema de Carnot Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824 demostró que el rendimiento de alguna máquina térmica que tuviese la máxima eficiencia posible (a las que en la actualidad se denotan con su nombre) y que operase entre dos termostatos (focos con temperatura constante), dependerÃ−a sólo de las temperaturas de dichos focos. Por ejemplo, el rendimiento para un motor térmico de Carnot viene dado por: Donde Tc y Tf son las temperaturas del termostato caliente y del termostato frÃ−o, respectivamente, medidas en Kelvin. Este rendimiento máximo es el correspondiente al de una máquina térmica reversible, la cual es sólo una idealización, por lo que cualquier máquina térmica construida tendrá un rendimiento menor que el de una máquina reversible operando entre los mismos focos. Dilatación térmica La dilatación térmica corresponde al efecto en el cual, las sustancias se "agrandan" al aumentar la temperatura. En objetos sólidos, la dilatación térmica produce un cambio en las dimensiones lineales de un cuerpo, mientras que en el caso de lÃ−quidos y gases, que no tienen forma permanente, la dilatación térmica se manifiesta en un cambio en su volumen. Dilatación lineal Consideremos primero la dilatación térmica de un objeto sólido, cuyas dimensiones lineales se pueden representar por l0, y que se dilata en una cantidad Î L. Experimentalmente se ha encontrado que para casi todas las sustancias y dentro de los lÃ−mites de variación normales de la temperatura, la dilatación lineal Î L es directamente proporcional al tamaño inicial l0 y al cambio en la temperatura Î t, es decir: ==. Donde se llama coeficiente de dilatación lineal, cuya unidad es el recÃ−proco del grado, es decir [°C]-1. Dilatación superficial Es el mismo concepto que el de dilatación lineal salvo que se aplica a cuerpos a los que es aceptable y preferible considerarlos como regiones planas; por ejemplo, una plancha metálica. Al serle transmitida cierta cantidad de calor la superficie del objeto sufrirá un incremento de área: Î A. ==. Donde γ se llama coeficiente de dilatación superficial. Dilatación volumétrica 5 La dilatación volumétrica de un lÃ−quido o un gas se observa como un cambio de volumen Î V en una cantidad de sustancia de volumen V0, relacionado con un cambio de temperatura Î t. En este caso, la variación de volumen Î V es directamente proporcional al volumen inicial V0 y al cambio de temperatura Î t, para la mayor parte de las sustancias y dentro d e los lÃ−mites de variación normalmente accesibles de la temperatura, es decir: ==. Donde β se llama coeficiente de dilatación volumétrica, medida en la misma unidad que el coeficiente de dilatación lineal 2 alfa. Conclusión Mi conclusión sobre el trabajo de la termodinámica, es sobre que es como un proceso que es sobre la transformación de la energÃ−a que es térmica en energÃ−a mecánica y también un proceso que trabaja con el calor y del trabajo en calor. En la termodinámica también trata sobre la energÃ−a interna que es la suma de las potenciales y la energÃ−a cinética de las moléculas de un cuerpo. En la termodinámica se habla sobre el trabajo que hace un sistema, sobre el calor y también sobre la variación de la energÃ−a interna y sobre los Joules. Algo que aprendÃ− bien sobre la termodinámica es que si a un cuerpo se le aplica o se le pone calor y no cambia su estado, su temperatura aumenta, y que gracias a este aumento de temperatura sus moléculas se mueven rápido y su energÃ−a cinética también aumenta y también su energÃ−a potencial y esto provoca que sus moléculas se separen. Y me logre dar cuenta que en resumen lo que trata mas la termodinámica es que tanto el trabajo como el calor representan o realizan cambios que se acompaña de un cambio también de energÃ−a interna y que todo esto ocurre en un proceso que puede ser llamado proceso térmico o sistema térmico. También llegue a a conclusión de que la termodinámica es un tema muy interesante y que es también muy cotidiano y nos puede ayudar a comprender algunas cosas que ocurren o de algunos objetos o aparatos que utilizamos a diario en estos dÃ−as que hace mucho frio, como el vaso térmico, donde nos servimos nuestro café de diario, la termodinámica me ayudo a explicarme que para que se logren estos procesos se ocupan de paredes que ocupan estar separada para que el contenido no se relacione con el espacio exterior y no este como todos los productos normales que están a temperatura, sino que la temperatura de lo que adentro contiene este a una temperatura constante y que se pueda dar un equilibrio térmico. Otro ejemplo puede ser como las maquinas a vapor de algunos barcos o ferrocarriles que funciona a través de una caldera con vapor que esta cerrada con calentamiento y que sigue un seguimiento a través de un cilindro que se expande su volumen logrando empujar un pistón hasta lograr un movimiento de rotación y por ultimo el embolo regresa y expulsa el vapor del agua y el vapor del agua se controla por medio de unas válvulas que hacen acción de entrada y salida. Mi conclusión en resumen es que es un tema demasiado interesante y tan cotidiano que de verdad vale la pena estudiarlo y tratar de aprender mucho sobre este tema ya que algún dÃ−a nos puede servir de algo y también ayuda a resolver algunas de nuestras dudas. 6