PROPÓSITO: Caracterizar los diferentes procesos termodinámicos Calcular a partir de los procesos adiabáticos y procesos isotérmicos como el calor y el trabajo se realiza un cambio de energía interna de un sistema PREGUNTAS: ¿Cuáles son los procesos termodinámicos? ¿Qué es un proceso adiabático y qué es un proceso isotérmico? CONTENIDO: Procesos adiabáticos: considera cierta masa de un gas dentro de un recipiente cuyas paredes no permiten la transferencia de calor al exterior y sobre el cual se realiza un trabajo. Cuando no hay transferencia de calor se dice que ocurre un proceso adiabático. Al aplicar la primera ley de la termodinámica tenemos U = Q – W. puesto que Q = 0 tenemos que U=-W En este proceso la variación de la energía interna del sistema se debe únicamente al trabajo realizado por el sistema o al trabajo realizado sobre el sistema. En un proceso adiabático, si es el sistema que realiza trabajo, W es positivo, por tanto U es negativo. Es decir, se produce una disminución en la energía. Proceso isotérmico: si a un sistema, digamos un gas dentro de un cilindro, se le suministra calor y se produce cambio en a presión y el volumen con la condición de que la temperatura permanezca constante, se dice que ocurre un proceso isotérmico. Al aplicar la primera ley de la termodinámica tenemos que U = Q – W, pero como la temperatura del gas no varia, tenemos que U = 0 y por tanto, Q = W. es decir, en un proceso isotérmico el calor suministrado al sistema se transforma en trabajo realizado por él mismo. MODELACIÓN: 1. Considere dos sistema iguales formados por 1 m3 de nitrógeno contenido en un cilindro provisto de pistones. El gas tiene inicialmente cierta temperatura y presión y luego se expande hasta ocupar un volumen de 2 m3. En uno de los cilindros la expansión se produce contra una presión externa de una atmosfera, mientras que en el otro se expande contra el vacio. a. ¿Cuál es el calor intercambiado en cada caso, si el proceso es isotérmico? b. Describe cada situación si los procesos son adiabáticos. Sol: a. Partiendo de la primera ley de la termodinámica, según la cual, Q = W, y dado que la energía interna sólo depende de la temperatura, en ambos procesos la variación de la energía es U = 0. Para encontrar el valor de Q, debemos calcular el trabajo realizado en ambos expansiones. En el caso de expansión en contra de la atmosfera. W = P * V = (101 324 Pa) * (1m3) = 101324 J. De modo que el sistema debe recibir esta cantidad de energía en forma de calor por tanto, Q = 101324 J. en la expansión hacha contra el vacio el trabajo es nulo puesto que la presión es igual a cero y como U = 0, tampoco hay transferencia de calor. b. En el caso de que los procesos sean adiabáticos, Q=0, por tanto, U=-W Cuando el gas se expande contra una presión de 1 atm el cambio en la energía interna es U = - 101324 j, lo cual se manifiesta en un descenso de la temperatura. En la expansión contra el vacio el trabajo es nulo, de modo que la energía interna del sistema permanece constante, y por tanto la temperatura no cambia. SIMULACIÓN: 1. Un gas esta contenido en un cilindro con pistón, si mediante un proceso isotérmico, se realiza un trabajo de 5000 J sobre el gas. a. Calcula la variación de la energía interna del gas. b. El gas, ¿absorbe o libera calor? Explica. c. ¿Cuál es el valor del calor transferido? EJERCITACIÓN: 1. Se tiene 40 cm3 de un gas encerrado en un recipiente de forma cilíndrica. Si se le suministran 5000 J de energía en forma de calor, manteniendo una presión constante de 2 atm, entonces, ¿Cuál es el cambio en la energía interna del gas al aumentar su volumen a 55 cm3? 2. En una compresión adiabática se realizan 350 J e trabajo en un sistema a gas. Responde: a. ¿cuanto calor es liberado por el sistema? b. ¿Cómo varía la energía interna del gas?