Competencia: Utilizó modelos biológicos, físicos y químicos para explicar la transformación y conservación de la energía




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Fecha: 11-01 Mar20, Abril 3, Mayo 8, 15, 22, 29

11-02 Abril 1, 8, 22, 29, Mayo 6, 13, 20

Propósito: Conocer las leyes de la termodinámica que permitan familiarizarse con procesos térmicos, las propiedades y aplicaciones

Competencia: Utilizó modelos biológicos, físicos y químicos para explicar la transformación y conservación de la energía.

Estándar: Explico la transformación de energía mecánica en energía térmica

Tema: Termodinámica

Indicadores de desempeño

Establece diferencias entre los conceptos de calor y temperatura.

Determina variaciones de longitud, área y volumen ocasionadas por cambios en la temperatura.

Aplica las leyes de la termodinámica para calcular trabajo, energía interna y energía calórica en un proceso determinado.

Identifica los diferentes mecanismos de transferencia de calor.

Realiza con interés las actividades propuestas en clase para apropiarse de los temas y solucionar dudas.

Cumple con las tareas asignadas.

Momento para Comprender

Origen de la Termodinámica

Como muchas disciplinas, la termodinámica surge de los procedimientos empíricos que llevaron a la construcción de elementos que terminaron siendo muy útiles para el desarrollo de la vida del hombre. Se cree que la termodinámica es un caso muy especial debido a que sus inicios se pierden en la noche de los tiempos mientras que en la actualidad los estudios sobre el perfeccionamiento de las máquinas térmicas siguen siendo de especial importancia, más aun si tomamos en cuenta la importancia que revisten temas de tanta actualidad como la contaminación.

El origen fue sin lugar a dudas la curiosidad que despertara el movimiento producido por la energía del vapor de agua.

Su desarrollo fue tomando como objetivo principal el perfeccionamiento de las tecnologías aplicadas con el fin de hacer más fácil la vida del hombre, reemplazando el trabajo manual por la máquina que facilitaba su realización y lograba mayor rapidez, estos avances que gravitaban directamente en la economía, por ello el inicio se encuentra en el bombeo de aguas del interior de las minas y el transporte.

s tarde se intensificaron los esfuerzos por lograr el máximo de rendimiento lo que llevó a la necesidad de lograr un conocimiento profundo y acabado de las leyes y principios que regían las operaciones realizadas con el vapor.

El campo de la termodinámica y su fuente primitiva de recursos se amplía en la medida en que se incorporan nuevas áreas como las referentes a los motores de combustión interna y últimamente los cohetes. La construcción de grandes calderas para producir enormes cantidades de trabajo marca también la actualidad de la importancia del binomio máquinas térmicas-termodinámica.

 

En resumen: en el comienzo se partió del uso de las propiedades del vapor para succionar agua de las minas, con rendimientos insignificantes, hoy se trata de lograr las máximas potencias con un mínimo de contaminación y un máximo de economía

http://conceptosbasicostermo.blogspot.com/2011/06/origen-de-la-termodinamica.html

Momento para Aprender

Un sistema termodinámico se encuentra en una región tridimensional del espacio, limitado (Confinado) por superficies geométricas más o menos arbitrarias. Las superficies de frontera pueden ser reales o imaginarias, pueden estar en reposo o en movimiento. El límite puede cambiar de forma o tamaño. La región del espacio físico que queda afuera de las fronteras arbitrariamente seleccionadas del sistema recibe el nombre de alrededores o ambiente.

El análisis de los procesos termodinámicos incluye el estudio de la transferencia de masa y de energía a través de la frontera de un sistema y el efecto de esas interacciones ejercen sobre el sistema. Cuando la transferencia de masa a través de la superficie limitante de un sistema está prohibida, se dice que el sistema está cerrado. Aunque en un sistema cerrado la cantidad de materia es fija, se permite a la energía franquear sus límites en forma de trabajo y calor. La materia puede cambiar de composición química dentro del sistema.

Es apropiado definir un sistema abierto como aquel en el cual se permite a la masa cruzar los límites que se hayan seleccionado; también la energía puede hacerlo en forma de trabajo y calor”.

Calor y Temperatura

Calor es una forma de energía que se transfiere de unos cuerpos a otros, los cuerpos ganan o ceden calor, más no lo poseen. http://www.google.com/url?source=imgres&ct=img&q=http://www.profesorenlinea.cl/imagenfisica/calor001.jpg&sa=x&ei=hnykueu4jixraybmgcgi&ved=0caqq8wc4aq&usg=afqjcngfmh_b_1eekjfpa1abavjqym04aghttp://www.google.com/url?source=imgres&ct=img&q=http://www.profesorenlinea.cl/imagenfisica/calor001.jpg&sa=x&ei=hnykueu4jixraybmgcgi&ved=0caqq8wc4aq&usg=afqjcngfmh_b_1eekjfpa1abavjqym04ag

La temperatura es una magnitud que se relaciona con la medida de la velocidad media con que se mueven las partículas. La temperatura no depende del número de partículas que se mueven sino de su velocidad media: a mayor temperatura mayor velocidad media. No depende por tanto de la masa total del cuerpo: si dividimos un cuerpo con una temperatura "T" en dos partes desiguales las dos tienen la misma temperatura.

Unidades de medida del calor

El calor se mide en unidades de energía. Por tanto, en el Sistema Internacional su unidad es el julio (J). Sin embargo, la unidad tradicional para medir el calor es la caloría (cal). La equivalencia es:

1 cal = 4,184 J

¿Cómo se transfiere o transmite el calor?

La transmisión de calor siempre ocurre desde el cuerpo más caliente al más frío. Se puede dar por tres mecanismos: Conducción, convección y radiación.

-Conducción

El proceso por el que se transmite calor de un punto a otro de un sólido se llama Conducción.

http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema3/imagenes/file0052.jpg

En la conducción se transmite energía térmica, pero no materia. Los átomos del extremo que se calienta, empiezan a moverse más rápido y chocan con los átomos vecinos, obteniéndose de esta manera la transmisión de calor a lo largo del cuerpo.

La cantidad de calor que fluye a través de un sólido por unidad de tiempo, es una característica propia de cada material y determina que tan buen conductor de la energía es. Esta cantidad se denomina Conductividad Térmica, k y permite clasificar los materiales como:

Conductores térmicos: Son aquéllas sustancias que transmiten rápidamente la energía térmica de un punto a otro. Por ejemplo, los metales.

Aislantes térmicos: Son aquéllas sustancias que transmiten lentamente la energía térmica de un punto a otro. Ejemplos: Vidrio, hielo, ladrillo rojo, madera, corcho, etc. Suelen ser materiales porosos o fibrosos que contienen aire en su interior.

La conductividad térmica se puede expresar mediante la siguiente relación:

=

Donde k es la conductividad, e es el espesor de la lámina

-Convección

La convección es el proceso por el que se transfiere energía térmica de un punto a otro de un fluido (líquido o gas) por el movimiento del propio fluido.

http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema3/imagenes/file0046.jpg

Al calentar, por ejemplo, agua en un recipiente, la parte del fondo se calienta antes, el agua se hace menos densa y sube, bajando la de la superficie que está más fría y así se genera un proceso cíclico.

A diferencia de la conducción, la convección implica transporte de materia y es la forma como se propaga el calor en los líquidos y en los gases.

-Radiaciónhttp://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_ccnn_2/tema3/imagenes/file0058bis.jpg

La radiación en forma de ondas electromagnéticas es el medio a través del cual la tierra recibe continuamente el calor producido por el sol.

Las ondas electromagnéticas son producidas por el movimiento acelerado de cargas eléctricas, cuando estas inciden sobre un cuerpo pueden agitar las partículas con carga eléctrica que lo forman y por lo tanto, entregarles energía que se manifiesta por ejemplo en un aumento de temperatura.

En el vacío no puede haber transferencia de calor por conducción o por convección, por el contrario, el mecanismo de transmisión de calor por radiación no requiere de la presencia de materia entre los cuerpos que intercambian calor.

Todos los cuerpos radian energía en función de su temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía de la radiación que emiten y todos los cuerpos absorben radiación, pero también reflejan parte de ella. Los cuerpos que absorben las radiaciones, pero reflejan muy pocas, se perciben como oscuros o negros (si no reflejan ninguna). Por el contrario, los cuerpos que reflejan las radiaciones y absorben muy pocas, se perciben como claros o blancos (si las reflejan todas).

Efectos del Calor

El fenómeno por el cual los cuerpos aumentan de tamaño al absorber calor se denomina Dilatación Térmica. La dilatación de los sólidos afecta a las grandes estructuras como carreteras, vías, puentes, edificios, tuberías... Por esto, y para evitar daños en ellas, suelen colocarse juntas de dilatación.

Por lo general, los cuerpos se dilatan al calentarse y se contraen al enfriarse. Los gases se dilatan mucho, los líquidos menos, y los sólidos muy poco. No obstante, en los sólidos grandes las dilataciones son muy importantes.

La dilatación puede ser en una dimensión, Dilatación Lineal, en dos dimensiones, Dilatación Superficial y en tres dimensiones, Dilatación Volumétrica

http://www.librosvivos.net/smtc/img/calentar_enfriar1.jpg

.

En general, cuando un cuerpo absorbe calor se produce un aumento en su temperatura, mientras que si lo cede, su temperatura disminuye. La medida de este aumento o disminución de temperatura depende de diversos factores, los cuales se pueden analizar de la siguiente manera:

  • Al producir diferentes cambios de temperatura a dos masas iguales de agua, se puede comprobar que la cantidad de calor que es necesario suministrar es tanto mayor cuanto mayor es el cambio de temperatura.

  • Al aumentar la temperatura de masas diferentes de agua, se puede comprobar que la cantidad de calor que se necesita suministrar es tanto mayor cuanto mayor es la masa de agua.

  • Al producir el mismo cambio de temperatura a dos masas iguales de sustancias diferentes, se puede comprobar que la cantidad de calor que es necesario suministrar depende de la naturaleza de la sustancia.

A partir del último aspecto se introduce el concepto de Calor Específico, el cual se define como la cantidad de calor que se debe suministrar a un gramo de sustancia para que su temperatura aumente un grado centígrado.

El calor específico se mide en J/kg ºK o en cal/g ºC.

Cambios de Estado

Cada una de las sustancias que nos rodea se encuentra normalmente en un estado físico característico, el cual depende de varios factores: el tipo de sustancia, de la temperatura y de la presión.

Calentando o enfriando un cuerpo podemos hacer que este cambie de estado. Mientras dura el cambio de estado la temperatura del cuerpo no varía.

Se define Calor Latente como la cantidad de calor que se debe suministrar o retirar, por unidad de masa, para que la sustancia cambie de estado.

Ejemplo

Un cubo de hielo de 25g se saca del congelador de un refrigerador a una temperatura de -18ºC. Calcular

  1. El calor necesario para fundir el cubo de hielo

  2. El calor necesario para alcanzar el punto de ebullición

Para el agua el punto de fusión es 0ºC y el calor latente de fusión es 80 cal/g, el punto de ebullición es de 100ºC y el calor latente de ebullición 540 cal/g, el calor específico del hielo es 0.53 cal/g ºC

Calor para fundir el hielo

Q = Calor para alcanzar 0ºC + Calor de Fusión

Q = 25g (0.53cal/g ºC) (0 – (-18)) ºC + 25g (80cal/g) = 2238.5cal

Calor necesario para alcanzar el punto de ebullición

Q = 25g (1cal/g ºC) (100 – 0) ºC = 2500cal

Calcular la cantidad de calor necesaria para que un litro de alcohol etílico que se encuentra a 20ºC pueda ser convertido en vapor, la densidad del alcohol etílico es 0.78 g/cm3

Punto de ebullición del alcohol etílico 78.5ºC, calor latente de ebullición 204cal/g, calor específico 0.6cal/g ºC.

Etapa Empírica

Los orígenes de la termodinámica nacen de la pura experiencia y de hallazgos casuales que fueron perfeccionándose con el paso del tiempo

La historia cuenta que en 1629 Giovanni Branca diseñó una máquina capaz de realizar un movimiento en base al impulso que producía sobre una rueda el vapor que salía por un caño. No se sabe a ciencia cierta si la máquina de Branca se construyó, pero, es claro que es el primer intento de construcción de las que hoy se llaman turbinas de acción.

La mayor aplicación de las posibilidades de la máquina consistía en la elevación de agua desde el fondo de las minas. Por ello la primera aplicación del trabajo mediante la fuerza del vapor cristaliza en la llamada máquina de fuego de Savery. El sencillo dispositivo consistía en un cilindro vertical simple en el que se mueve un pistón como consecuencia del vapor del agua calentada en el fondo del cilindro. El vapor hace ascender el pistón, el cual era sostenido en el punto más alto de su recorrido. A continuación se enfriaba el cilindro con lo que el vapor condensaba, soltándose a continuación el pistón que es empujado hacía el fondo por la presión atmosférica, funcionando principalmente con aire, más que con presión de vapor.

La Etapa Tecnológica

El primer aparato elemento que podríamos considerar como una máquina propiamente dicha, por poseer partes móviles, es la conocida como máquina de vapor de Thomas Newcomen construida en 1712. Tomando como base la invención de Savery construyó la primera máquina de vapor atmosférica de pistón. Utilizaba un pistón de simple efecto: una de las caras del émbolo estaba expuesta al exterior, a la presión atmosférica y la otra cara era la pared deslizante de un cilindro. En él se introducía vapor que hacía avanzar el émbolo. Al final del recorrido el cilindro se enfriaba por medio de un chorro de agua y por lo tanto el vapor condensaba, ocupando un volumen 2700 veces inferior. El vacío creado, "el poder de la nada" como fue llamado, no contrarrestaba la presión atmosférica de la otra cara del émbolo y por ello la pared móvil del cilindro retrocedía. Era este movimiento el que permitía elevar agua de una mina por medio de una bomba de pistón. Pero su rendimiento era muy pobre, tan solo el 0.5% de la energía del combustible utilizado.

Aún con su elevado consumo de combustible y el elevado desgaste de sus componentes, fue considerable su utilización, especialmente, en la creciente industria textil británica.

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LEYES DE LA TERNLODINÁMICA

Ley Cero

Podemos descubrir una propiedad importante del equilibrio térmico considerando tres sistemas A, B y C; que inicialmente no están en equilibrio térmico. Rodeamos los sistemas con una caja aislante ideal para que solo puedan interactuar entre sí.

Separamos A y B con una pared aislante ideal, pero dejamos que C interactúe con A y B. Esperamos que se establezca el equilibrio térmico; A y B están en equilibrio térmico con C, pero ¿están en equilibrio térmico entre sí? Para averiguarlo separamos el sistema C de los sistemas A y B con una pared aislante ideal y sustituimos la pared aislante entre A y B con una conductora que permita a A y B interactuar ¿Qué sucede?; no hay cambios adicionales ni en A ni en B, concluimos que “si C inicialmente esta en equilibrio térmico con A y con B, entonces A y B también están en equilibrio térmico entre sí”; este resultado se llama Ley cero de la Termodinámica

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Concluimos que dos sistemas están en equilibrio térmico si y solo si tienen la misma temperatura.

En esto radica la utilidad de los termómetros; un termómetro realmente mide su propia temperatura, pero cuando está en equilibrio térmico con otro cuerpo, las temperaturas deben ser iguales.

Primera ley de la termodinámica

La energía interna es la suma de la energía cinética y potencial de las moléculas.

  • La energía interna U de un sistema aumenta cuando se le suministra calor o cuando se realiza trabajo sobre el sistema.

  • La energía interna de un sistema disminuye cuando el sistema cede calor o cuando el sistema realiza trabajo sobre otro sistema.

Si Q es el calor transferido al sistema y W el trabajo realizado por el sistema, el cambio de la energía interna del sistema se expresa como:

ΔU = Q – W (1ª Ley)

Q es positivo si el sistema recibe calor, W es positivo si el sistema realiza trabajo.

Independientemente de los procesos que ocurran dentro de un sistema aislado, su energía interna permanece constante. “La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”

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Al calor recibido por la máquina vamos a asignarle signo positivo. Al calor despedido por la máquina, signo negativo.

También puede ocurrir que en lugar de que la máquina realice un trabajo sobre el medio circundante, sea el medio quien realice trabajo sobre la máquina. Ese trabajo será negativo.

Ejemplo: En un determinado proceso, se suministra a un sistema 2000 J de calor y al mismo tiempo se realiza un trabajo sobre el sistema de 100 J. ¿cuál es la variación de la energía interna?

ΔU = 2000 J – (-100 J) = 2100 J

Segunda Ley de la Termodinámica

Esta ley indica la dirección en la cual se realiza espontáneamente un proceso termodinámico “el calor no fluye espontáneamente de los cuerpos más fríos a los cuerpos más calientes”

Los siguientes son algunos procesos compatibles con la primera ley de la termodinámica, pero que se cumplen en un orden gobernado por la segunda ley.

1) Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido.

2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal del agua requiere alguna influencia externa.
3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse, pero el proceso inverso nunca ocurre.

4) Es probable que un jarrón caiga al suelo y se haga añicos; en cambio es improbable que un conjunto de añicos se ensamblen espontáneamente y armen un jarrón.

5) Las máquinas de movimiento perpetuo no pueden existir.

6) Aunque la energía se conserve... se degrada

Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es decir procesos que ocurren naturalmente en una sola dirección. Ninguno de estos procesos ocurre en el orden temporal opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda ley de la termodinámica.

Otra forma de enunciar la segunda ley de la termodinámica “en cualquier proceso, la entropía del universo aumenta”.

  • La entropía se asocia con el desorden; hay quien afirma que la entropía es una medida del desorden presente en un sistema: y a mayor desorden, mayor entropía.

  • Los aumentos de entropía se asocian a la degradación de la energía (energía útil, que puede ser transformada en energía mecánica -por ejemplo- se degrada a energía inútil, que aun estando, no puede ser aprovechada).

  • De la entropía (como de la energía) no interesa saber cuánto vale sino cuánto aumenta o cuánto disminuye, o si se mantiene constante.

Máquinas Térmicas

Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y/o mecánica. Existen muchas máquinas térmicas: las locomotoras, los automóviles, las motocicletas.
Elementos de una máquina térmica

La fuente caliente, (que podría ser una caldera, o una cámara de combustión o cualquier cosa a alta temperatura). La temperatura de la fuente es, TH.
La fuente fría, (que podría ser el medio ambiente). La temperatura de la fuente fría es TC, con TH > TC, lógicamente.
La máquina propiamente dicha que, por lo general, funciona cíclicamente, a régimen constante.

Una máquina térmica hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual se absorbe calor de una fuente a alta temperatura, luego la máquina realiza un trabajo y finalmente libera calor a una fuente a temperatura más baja.
Por ejemplo, en un motor de gasolina, el combustible que se quema en la cámara de combustión es el depósito de alta temperatura, se realiza trabajo mecánico sobre el pistón y la energía de desecho sale por el tubo de escape.

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QH = Calor que entra de la fuente caliente

QC = Calor cedido a la fuente fría
Durante el ciclo la energía interna final de la máquina es igual a la energía interna inicial, de acuerdo con la primera ley de la termodinámica
0 = Q – W

Q es el calor neto consumido por la máquina, es decir Q = QH – QC, por lo tanto
W = QH – QC
En la práctica se ha encontrado que las máquinas térmicas solamente convierten una fracción del calor absorbido en trabajo. De esta observación surge otra forma de enunciar la segunda ley de la termodinámica: no es posible construir una máquina capaz de convertir por completo, de manera continua, la energía térmica en otras formas de energía, lo cual conduce a la definición de la eficiencia de un motor.

La eficiencia térmica, e (o simplemente eficiencia), de una máquina térmica se define como la razón entre el trabajo neto realizado y el calor absorbido durante un ciclo, se escribe de la forma:


Un refrigerador es una máquina térmica que funciona en sentido inverso. Consiste en una cámara, herméticamente cerrada, en cuya parte posterior hay un circuito que contiene un líquido refrigerante. Este líquido se desplaza por el circuito debido a la acción de un motor. Al llegar el líquido refrigerante al congelador, se transforma en gas absorbiendo calor del interior del recinto. Posteriormente el gas se comprime y vuelve a transformarse en líquido, repitiéndose el proceso mientras el refrigerador está conectado a la red eléctrica.

La máquina absorbe calor de una fuente fría y cede calor a una fuente caliente. Esto solo es posible si se realiza trabajo sobre el refrigerador, pues este proceso no sucede espontáneamente

Ejemplo

La eficiencia térmica de un motor es del 20%. Si el calor de entrada es igual al que transfieren 750g de agua al condensarse a 100ºC. ¿Cuál es el valor del trabajo realizado?

Calor que entra al sistema: m de vapor de H2O (Calor latente de condensación)

Q = 750g (540cal/g) = 405000 calorías

E = = 0.2, luego

W = 0.2 (405000) = 81000 calorías = 338580 J
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