Exposición Calor y Termodinámica

Exposición

Calor y Termodinámica

FÍSICA Carrera de Médico y Cirujano 1er. Año

Calor y Termodinámica

Calor y Termodinámica

Para describir el estado físico externo se usan algunas magnitudes físicas tales como la masa, la velocidad y la aceleración. Para describir el estado interno de un sistema se usan unas cuantas magnitudes físicas como la presión, el volumen y la temperatura. La termodinámica estudia la energía interna de un sistema y los medios por los que se intercambia energía entre el sistema y su medio ambiente. Es característico que los organismos vivos y de las maquinas el intercambio continuo de energía con su medio ambiente en el proceso de convertir energía interna en trabajo.

Calor

El calor y el trabajo son los dos modos como la energía es intercambiada entre un sistema y su medio ambiente. Todos los animales realizan trabajo y pierden calor. El trabajo se realiza a la hora de hacer alguna actividad como puede ser el nadar, caminar, arrastrarse y volar, así como el bombear la sangre a través de los vasos del cuerpo. El calor se pierde a través de la piel y los pulmones por evaporación, conducción y radiación. La conservación de la energía exige que toda esta energía se obtenga de la energía interna y esta se trate de reponer por medio de la comida.

Primera Ley de Termodinámica

1era. Ley de Termodinámica

Es un principio que refleja la conservación de la energía en el contexto de la termodinámica y establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Un sistema se halla en un estado termodinámico definido solo si su temperatura y presión tienen el mismo valor en todas sus partes. La ley de pascal Si el volumen del gas se aumenta bruscamente al desplazar el émbolo, el gas se precipitará hacia el nuevo volumen, y durante un tiempo el sistema no estará en equilibrio. Si el gas se calienta por debajo, el sistema no estará en equilibrio térmico porque partes diferentes del gas estarán a temperaturas diferentes.

El calor y El Trabajo

La energía puede ser transferida entre el sistema y el medio ambiente de dos formas esencialmente.

Calor: Es la energía que fluye de un objeto a otro como resultado del movimiento al azar de las moleculas de los objetos. T1 tiene mas energia que la T2

Trabajo: Es la energía que se transfiere desde un objeto a otro como resultado de un cambio de volumen. Al realizar trabajo se transfiere energía desde el sistema al medio.

EJEMPLO

Calor específico, calor específico del agua, calorimetría

Calor específico

El calor específico varía de acuerdo al estado físico de la materia, es decir, es distinto si la materia se encuentra en estado sólido, líquido o gaseoso porque su particular estructura molecular incide en la transmisión del calor dentro del sistema de partículas. Lo mismo ocurre con las condiciones de presión atmosférica: a mayor presión, menor calor específico. La fórmula más usual para calcular el calor específico de una sustancia es: ĉ = Q / m.Δt donde Q representa la transferencia de energía calórica entre el sistema y su entorno, m la masa del sistema y Δt la variación de temperatura al cual se lo somete. Así, el calor específico (c) a una temperatura dada (T) se calculará de la siguiente forma: c = lim (Δt→0) . Q / m.ΔT = 1/m . dQ/dT

Ejemplos:

Otros registros de calor específico son:

• Aluminio. 0,215 calorías por gramo por grado Celsius
• Cobre. 0,0924 calorías por gramo por grado Celsius
• Oro. 0,0308 calorías por gramo por grado Celsius
• Hierro. 0,107 calorías por gramo por grado Celsius
• Silicio. 0,168 calorías por gramo por grado Celsius
• Potasio. 0,019 calorías por gramo por grado Celsius
• Vidrio. 0,2 calorías por gramo por grado Celsius
• Mármol. 0,21 calorías por gramo por grado Celsius
• Madera. 0,41 calorías por gramo por grado Celsius
• Alcohol etílico. 0,58 calorías por gramo por grado Celsius
• Mercurio. 0,0033 calorías por gramo por grado Celsius
• Aceite de oliva. 0,47 calorías por gramo por grado Celsius

Calor específico del agua:

El CP del agua (calor específico del agua) es una de las propiedades del agua más significativas. Hace referencia a la capacidad calorífica del agua a diferentes temperaturas, también conocida como calor específico o capacidad térmica específica. Se trata de una propiedad de las sustancias relacionada con la cantidad de energía necesaria para aumentar su temperatura. El agua tiene una capacidad calorífica específica muy alta, por lo que para aumentar su temperatura necesita absorber mucho calor por unidad de masa.

Calor específico del agua:

La capacidad calorífica del agua a diferentes temperaturas se mide específicamente en: J/(K.kg). Si el cambio de temperatura de una sustancia no supone un cambio de estado, la relación de esta variación de temperatura, la masa y el calor intercambiado se expresa con esta fórmula: Q = mc ΔT (Q es el calor; m la masa, ΔT el cambio de temperatura, c el calor específico) A partir de esa fórmula, para obtener el calor específico, se usa la siguiente: c = Q/m ΔT

Calorimetría:

La Calorimetría es la parte de la física que se encarga de medir la cantidad de calor generada o perdida en ciertos procesos físicos o químicos.El aparato que se encarga de medir esas cantidades es el calorímetro. Consta de un termómetro que esta en contacto con el medio que esta midiendo. En el cual se encuentran las sustancias que dan y reciben calor. Las paredes deben estar lo más aisladas posible ya que hay que evitar al máximo el intercambio de calor con el exterior. De lo contrario las mediciones serían totalmente erróneas.

Calorimetría:

La cantidad de calor que recibe o transmite un cuerpo esta determinada por la siguiente fórmula: Q = m x Ce x (Tf – Ti) Donde Q es el calor, m es la masa del cuerpo, Ce es el calor específico del cuerpo, que esta determinada por el material que lo compone. Y la variación de temperatura se representa por la diferencia entre Tf y Ti (temperatura final e inicial).

TRANSMISIÓN DEL CALOR

TRANSMISIÓN DEL CALOR

Calor es energía que fluye desde un objeto a otro como consecuencia de la diferencia de temperatura entre ellos. La dirección natural del flujo espontáneo de calor es siempre desde el objeto de temperatura más alta al objeto de temperatura más baja.

LAS 3 FORMAS DE TRANSMISIÓN DEL CALOR

Existen 3 mecanismos básicos por los que el calor fluye espontáneamente desde una región de temperatura alta a otra de temperatura baja. Estas son:

• Conducción

• Convección

• Radiación

CONDUCCIÓN

Conducción es la transmisión de energía a través de un medio material por sucesivos choques de las moléculas próximas, En cada choque, y por término medio, las moléculas rápidas de la región de temperatura elevada del medio transmiten algo de su energía cinética a sus vecinas más lentas de la región de baja temperatura. Estas a su vez chocan con moléculas vecinas aún más lentas, a las que transmiten su energía.

CONVECCIÓN

Convección es la transmisión de energía en un líquido o gas por la transferencia real de fluido de alta temperatura desde una región de temperatura más elevada a otra de temperatura más baja. El fluido de alta temperatura posee una energía interna mayor que el fluido de baja temperatura al que desplaza, de modo que la energía es transferida a la región de más baja temperatura junto con el fluido.

RADIACIÓN

Todo cuerpo, por estar a una cierta temperatura, emite ondas electromagnéticas, pudiendo también absorberlas. Radiación es energía electromagnética que se propaga a través del espacio vacío a la velocidad de la luz. La luz es una forma de radiación, pero existen otras tales como la radiación infrarroja y la ultravioleta.

Regulación de la temperatura del cuerpo

Regulación de la temperatura del cuerpo

Es la capacidad que tiene un organismo biológico para modificar su temperatura dentro de ciertos límites, incluso cuando la temperatura circundante es bastante diferente del rango de temperaturas-objetivo. La temperatura del cuerpo es captada y controlada por neuronas especiales en el hipotálamo que responden a la temperatura de la sangre. Vasodilatación. Vasoconstricción.

EJEMPLO

Regulación de la temperatura del cuerpo

La velocidad metabólica de una mujer de 50 kg aumenta a 350 W mientras avanza despacio. Si su cuerpo pierde calor a una velocidad de solo 330W, ¿Cuánto aumentaría su temperatura interna en 1 hora?

La velocidad metabólica neta de ganancia es de 20 W, de modo que el calor en 1 hora entra en el cuerpo.

Q = (20 W) (3600 s) = 7.2 x104

El calor especifico del cuerpo humano es de 3500 J/kg * ºC

ΔT = Q ÷ mcp = 7.2 x104 / (50kg) (3500J/kg* ºC) = 0.41 ºC

Un cambio de temperatura de esta magnitud es suficiente para activar los mecanismos de regulación de la temperatura del cuerpo.

Termodinámica

Termodinámica

La termodinámica es el estudio de la relación entre calor, trabajo y energía, en particular, de la conversión de energía en trabajo. Aunque el trabajo puede transformarse completamente en energía interna, no es posible el proceso inverso, consistente en la transformación completa de energía interna en trabajo.

TRANSFORMACIONES TERMODINÁMICAS

Los sistemas termodinámicos no son estáticos, sino que están en continua transformación, evolucionando entre distintos estados en lo que se conoce como transformación termodinámica.Una transformación irreversible es la que el sistema va de un estado a otro sin pasar por estado intermedio y se indican por líneas de trazo en diagramas.Una transformación reversible es donde el sistema puede llevarse desde el estado final al inicial a través de los mismos estados intermedios.

• TRANSFORMACIÓN ISOCORA

• TRANSFORMACIÓN ADIABÁTICA

es aquella en la que el volumen del sistema se mantiene constante. El estado del gas puede modificarse por calentamiento.

Es aquella en la que no se permite que el calor salga de un sistema.

• TRANSFORMACIÓN ISOBARICA

• TRANSFORMACIÓN ISOTÉRMICA

Significa que la temperatura se mantiene constante.Durante una expansión isotérmica fluye el calor al gas para así mantener constante su temperatura.

es aquella en la que la presión del sistema se mantiene mantiene fija.

Segunda Ley de Termodinámica

Segunda ley de Termmodinámica

La segunda ley de la termodinámica prescribe aquellos procesos que no pueden ocurrir espontáneamente. Se puede afirmar que la segunda ley es la afirmación de que los objetos no pueden saltar espontáneamente. La experiencia cotidiana enseña que un objeto inicialmente en reposo sobre el suelo nunca da un salto en el aire de manera expontánea.

EJEMPLO:

Una gota de tinta depositada en un vaso de agua se difunde hasta que queda distribuida por igual en toda el agua. No se da nunca el proceso inverso en el cual una mezcla uniforme de agua y tinta se separa espontáneamente en agua pura y tinta pura.

Termodinámica

Enunciado Kelvin de la segunda ley

Es imposible construir una máquina que, operando en un ciclo, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización de una cantidad equivalente de trabajo.

• Una máquina puede transformar todo el trabajo en calor (es lo que hace una estufa eléctrica, por ejemplo).

• Una máquina no puede transformar todo el calor en trabajo.

Enunciado de Clausius de la segunda ley

No es posible el paso de calor de un cuerpo frío a uno caliente sin el consumo de trabajo.

• El enunciado de Clausius establece un sentido para la propagación del calor. Éste fluye de manera espontánea de los cuerpos calientes a los fríos, nunca a la inversa.

• El enunciado de Clausius nos dice que para enfriar algo por debajo de la temperatura ambiente es necesario un trabajo adicional, esto es, que un frigorífico no funciona si no se enchufa

Rendimiento de Maquinas

Rendimiento de maquinas

Una máquina térmica tiene por objetivo proporcionar continuamente trabajo al exterior a partir del calor absorbido. En teoría, una máquina térmica con una eficiencia perfecta debería convertir toda la energía calorífica absorbida en trabajo mecánico. La segunda ley de la termodinámica establece que esto es imposible.

CICLO DE CARNOT

Es un ciclo termodinámico que se produce en un equipo o maquina cuando trabaja absorbiendo una cantidad de calor de una fuente de mayor temperatura y cediendo un calor a la menor temperatura produciendo trabajo en el exterior.

SADI CARNOT

Fue publicado por el físico e ingeniero francés Nicolas Leonard Sadi Carnot en 1824 en su único libro Reflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propes a developper cette puissance, y abrió camino para la formulación de la segunda ley de la termodinámica.

CONSTA DE CUATRO ETAPAS

Hay dos procesos isotermos que tienen una temperatura constante y dos adiabaticos que son aislados termicamente.

• Procesos isotérmicos

Expansión isotérmica (a -> b) Compresión isotérmica (c -> d)

• Procesos adiabáticos

Expansión adiabática (b -> c) Compresión adiabática (d ->a)

TEOREMAS DE CARNOT

• No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot que funcione entre esas mismas fuentes térmicas.

• Dos máquinas reversibles operando entre las mismas fuentes térmicas tienen el mismo rendimiento.

FORMULACION ESTADISTICA DE LA SEGUNDA LEY

El desorden total del universo no disminuye nunca. El concepto de desorden puede hacerse cuantitativo teniendo en cuenta la relación entre un estado termodinámico y un estado molecular del sistema especifico.

Energía Libre, Entalpía y Entropía

Energía libre de Gibbs

• Variación de la energía libre de Gibbs

• Entalpía
• Entropía
• Temperatura

Energía libre de Gibbs

Experimentos

Experimento

No. 1

Experimento

No. 2

Equipo de trabajo

Londi Gardenia Buezo Quintana

Alisson Gabriela Andrade Monroy

Kamila María

Gary José Manuel Mejía Guevara

Carnet 202146085

Carnet: 202180061

202140895

Carnet: 202147546

Equipo de trabajo

Jennifer Adolfina Carolina Duarte Orellana

Karla Fernanda Jovel Martínez

Gabriela María Santamarina Lam

Carnet: 202146073

Carnet: 2020423222

Cante: 202146099

La termodinámica es un sujeto cómico. La primera vez que la recorres, no la entiendes de ninguna manera. La segunda vez que la recorres, piensas que la entiendes, menos uno o dos pequeños puntos son los que no comprendes . Y la tercera vez que la recorres, sabes que no la entiendes.

Arnold Sommerfeld

¡GRACIAS!