LEYES DE LA TERMODINAMICA

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• LEYES DE LA TERMODINAMICA

ENERGIA INTERNA - CALOR - TRABAJO
FISICA ELECTIVO CUARTO AÑO MEDIO COLEGIO SERENA
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CONSIDERACIONES GENERALES

• Energía interna es toda la energía que pertenece
  a un sistema mientras se encuentra
  estacionario(sin movimiento de traslación ni
  rotación)
• Calor energía de transferencia entre dos
  sistemas y que se manifiesta en variaciones de
  temperatura de un sistema o simplemente como
  variaciones de su energía interna
• Para un gas ideal monoatómico, la energía térmica
  está asociada con el movimiento de sus átomos, es
  decir con la energía cinética de sus átomos

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TRABAJO Y CALOR

• Macroscópicamente, el estado de un sistema queda
  descrito por las coordenadas termodinámicas
  presión, volumen, temperatura y energía interna
• El número de variables macroscópicas necesarias
  para describir el estado de un sistema depende de
  la naturaleza del mismo. Por ejemplo para un
  sistema homogéneo con un solo tipo de partículas,
  normalmente se requieren dos variables
  termodinámicas
• Observación El estado macroscópico de un sistema
  aislado sólo se puede especificar sólo si el
  sistema está en equilibrio térmico interno

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TRABAJO Y CALOR

• Considerar un gas contenido en un cilindro
  dotado de un émbolo (Fig.1)
• En equilibrio, el gas ocupa un volumen V y ejerce
  una presión P sobre las paredes del cilindro y
  émbolo
• Si el émbolo tiene una sección transversal de
  área A, la fuerza ejercida por el gas sobre el
  émbolo es F PA

Fig.1
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TRABAJO Y CALOR

• Supongamos que el gas se expande
  cuasiestáticamente. A medida que el émbolo
  asciende una distancia ?y, el trabajo realizado
  por el gas será
• Se puede sostener entonces que el trabajo
  realizado por el gas es W P?V
• Si el gas se expande (?Vgt0), si se comprime
  (?Vlt0), esto último se puede interpretar como un
  trabajo que se realiza sobre el sistemal. Se
  (?V0) entonces el trabajo realizado por (o
  sobre) el sistema es cero y el volumen permanece
  constante
• La ecuación() es válida aplicar sólo si la
  presión es constante durante la expansión o
  compresión
• Para casos en los cuales la presión cambia, es
  necesario aplicar métodos de cálculo más avanzados

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TRABAJO Y CALOR

• El diagrama ilustrado en la Fig.2 muestra un
  proceso en el cuál se observa el grado de
  dependencia de la presión en función del volumen
  para un cierto gas confinado en un recipiente
• El gas se expande desde un volumen V1 hasta un
  volumen V2 , a la presión constante P, el trabajo
  en este caso vale
• En general, el trabajo realizado en una expansión
  de un cierto estado inicial a un estado final, es
  igual a área bajo la curva en el diagrama PV

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TRABAJO Y CALOR

• El trabajo realizado en un expansión del estado
  inicial al final depende de la trayectoria
  seguida entre los estados.
• Para ilustrar este importante punto, consideramos
  los estados (i) y (f), ilustrados en la Fig. 3(a,
  b y c), los que se relacionan entre si a través
  de distintas trayectorias

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TRABAJO Y CALOR

• Análisis proceso (a)
• La presión se reduce de Pi a Pf, por enfriamiento
  a volumen constante Vi
• Después el gas se expande desde Vi hasta Vi a
  presión constante Pf
• El trabajo total realizado por el gas a través de
  este recorrido es

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TRABAJO Y CALOR

• Análisis proceso (b)
• El gas se expande desde Vi hasta Vi a presión
  constante Pi
• La presión se reduce de Pi a Pf, por enfriamiento
  a volumen constante Vf
• El trabajo total realizado por el gas a través de
  este recorrido es
• El valor en el proceso (b) es mayor que el el
  proceso (a)

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TRABAJO Y CALOR

• Análisis proceso (c)
• El gas se expande desde Vi hasta Vi y la presión
  varía de Pi a Pf, en un proceso isotérmico
• El valor del trabajo es intermedio entre los
  procesos (b) y (a)
• Conclusión Por tanto el trabajo realizado por un
  sistema depende del proceso por el cual el
  sistema pasa del estado inicial y final

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TRABAJO Y CALOR

• El calor transferido (absorbido o cedido) por el
  sistema, depende también del proceso
• La Fig.4(a, b) prueban la afirmación anterior
• En ambos casos, las condiciones iniciales de
  presión, temperatura, y volumen son iguales
• La diferencia de las situaciones (a) y (b) es que
  la primera se pone en contaco con una fuente
  térmica y la segunda es una expansión libre

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TRABAJO Y CALOR

• Las condiciones finales en ambos casos son las
  mismas pero el primero recibe calor de una fuente
  calórica en cambio en la otra es una expansión
  libre (proceso adiabático)
• Proceso adiabático es aquel en el que no se
  transfiere calor entre el sistema y su entorno
• Conclusión la transferencia de calor, al igual
  que el trabajo, depende de los estados inicial,
  final e intermedios del sistema