La termodinámica se encarga de estudiar la transformación
de la energía térmica en trabajo y en el trabajo en energía. Para que se
produzca este cambio es necesario considerar el cambio de la energía interna de
los materiales involucrados. Esta dada por la energía total del objeto, es la
suma de la energía potencial de y entre las moléculas, la energía cinética de
traslación, rotación y vibración de las mismas.
La energía (U) permanece definida en un sistema termodinámico
mediante la absorción o perdida de calor (Q) o trabajo (W); por tanto, la
energía se conserva. Si el sistema gana calor es positivo y si lo pierde es
negativo; la salida de trabajo se considera positivo y la entrada negativo. Así,
la energía interna se expresa matemáticamente como:
DU = D Q - DW
La termodinámica puede ser explicada con cuatro leyes
fundamentales, de las cuales solo vamos a revisar tres.
Leyes
de la termodinámica
Ley cero de la termodinámica
También conocido como ley de equilibrio. Esta se define
como: si dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico y se presenta un
tercero, este estará en equilibrio con los anteriores.
Primera Ley de la termodinámica
Esta ley nos comprueba el principio de la conservación de
la energía que no se crea ni se destruye, solo se transforma. Puede definirse
como: en cualquier proceso termodinámico, el calor neto absorbido por un
sistema es igual a la suma del equivalente térmico del trabajo realizado por él
y el cambio de su energía interna, matemáticamente se expresa:
DQ = DU + DW
Segunda Ley de la termodinámica
Si un automóvil frena bruscamente, pierde energía en
forma de calor, pero si las llantas comienzan a rodar nuevamente, no es posible
recuperar el calor perdido para formar energía mecánica. Es evidente que no es
posible convertir toda la energía térmica perdida en trabajo útil, la dirección
que lleva un proceso termodinámico es unidireccional en ciertas situaciones;
por ello, se enuncia la segunda ley de la termodinámica que expresa:
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 una temperatura más elevada.
Como el sistema regresa periódicamente a su estado
inicial, puede observarse que el cambio real de energía interna es nulo.
Matemáticamente se expresa:
Wsal
= Qent – Qsal
Si quisiéramos calcular la
eficiencia térmica, la podemos expresar de la siguiente forma:
E =
Wsal / Q
Problema
Mario pretende determinar cuánto
trabajo útil realiza el motor de su motocicleta, si absorbe 800 cal del fuente
de calor y que cantidad de calor se pierde, si la eficiente de su motor es del 25%
a) Calculamos
la cantidad del trabajo útil a partir de la fórmula de eficiencia despejada.
Calculamos la cantidad de calor perdido a
partir de la expresión de la segunda ley de la termodinámica:
La motocicleta de Mario, genera 200 cal de
trabajo útil, pero pierde 600 cal en forma de calor.
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