¿Alguna vez te has preguntado cómo funciona un motor térmico? o ¿qué pasa en un vaso de agua sobre la mesa? Cuando normalmente observamos un vaso de agua estable, no se nota energía cinética o mecánica. Pero, cuando se observa bajo un microscopio, se observa un movimiento rápido de moléculas que determina la energía interna. La termodinámica es el campo de la ciencia que estudia los efectos combinados del calor y el trabajo en los cambios de estado. Estos cambios y consecuencias se rigen por reglas específicas, conocidas como leyes termodinámicas.
La energía térmica generada o absorbida en varios procesos químicos se transforma en varias formas utilizables de acuerdo con los principios termodinámicos. Sabemos que no podemos generar ni destruir energía. Sólo podemos transformarlo de una forma a otra. Este principio es la base de la transformación de energía, y su uso en muchos sectores es una aplicación significativa de la terminología termodinámica. Las reacciones químicas también están asociadas con cantidades variables de energía. El estudio de la transferencia de energía de una forma a otra es de lo que trata la termodinámica. También investiga la relación entre el calor y la temperatura, así como la energía y el trabajo.
¿Qué es la Termodinámica?
La termodinámica es el concepto relacionado con la relación entre la energía y el trabajo de un sistema dado. El término termodinámica fue acuñado por William Thomas (Lord Kelvin) en 1749. Se deriva de las palabras griegas ‘Thermes’ y ‘dynamis’ que significan calor y energía o poder respectivamente. La termodinámica tiene una larga historia, resulta que el enfoque de la termodinámica ha tenido éxito en guiar la ingeniería de dispositivos. Utilizaron el concepto para convertir la energía térmica en energía mecánica para realizar diferentes trabajos.
La termodinámica se puede definir como la rama de la física que trata de la relación entre calor, trabajo y energía.
La termodinámica es ciencia macroscópica. conceptualmente, se trata de convertir la cantidad de energía térmica generada por el movimiento de las partículas en energía mecánica. Pero también se debe tener en cuenta que la termodinámica depende del estado inicial y final del sistema, ya que trata con el sistema en masa, pero no con la transformación de energía o el constituyente molecular del cuerpo.
Por ejemplo, las máquinas de vapor utilizadas en los trenes utilizan la fuerza o la energía producida por el vapor para empujar el pistón hacia atrás y hacer espuma, que al mismo tiempo se convierte en fuerza de rotación por las ruedas conectadas al pistón.
Las reglas de la termodinámica se ocupan de los cambios de energía que ocurren durante un proceso. No tienen nada que ver con la velocidad a la que se lleva a cabo la reacción. En terminología termodinámica, con frecuencia utilizamos palabras genéricas como trabajo, calor y energía interna. Aprendamos ahora mucho sobre estas palabras y asegurémonos de entenderlas bien.
Energía interna
La energía almacenada en el interior del sistema es resultado de los movimientos aleatorios de las partículas, así como las energías potenciales de las moléculas como resultado de su orientación, dicha energía se denomina Energía Interna .
La energía interna se define como la energía cinética total (debido al movimiento aleatorio de las partículas) y la energía potencial (relacionada con el estado de las partículas) presentes en el interior del sistema. La energía interna se ve afectada por la temperatura, los estados inicial y final, pero no por el viaje. La energía interna de un gas ideal está determinada únicamente por la temperatura, pero la energía interna de un gas real está determinada tanto por la temperatura como por el volumen.
- La unidad de medida de la energía interna es Joule (J).
- Se representa con la letra U.
Fórmula de energía interna
La fórmula para la energía interna se establece como,
ΔU = Q + W
dónde,
- ΔU es la energía interna del sistema,
- Q es el calor suministrado al sistema, y
- W es el trabajo realizado por el sistema.
Relación entre entalpía y energía interna
Aquí se da la razón de la relación entre la energía interna y la entalpía de un gas ideal, así como una técnica matemática para demostrar que la energía interna de un gas ideal es únicamente una función de la temperatura.
La energía interna (U) de un gas ideal se da como:
U = U(T)
Sin embargo, el término entalpía (H) se expresa como:
H = U + PV ……(1)
dónde,
- P es la presión, y
- V es el volumen de un gas ideal.
Ahora, apliquemos la ecuación de los gases ideales en la ecuación anterior, que está dada por:
VP = TR
dónde,
- R es la constante de los gases ideales, y
- T es la temperatura de un gas ideal.
⇒ H = U + RT
Además, la entalpía de un gas ideal se da como:
H = H(T)
Dado que el calor específico a volumen y presión constantes (C v y C p ) que dependen de la temperatura viene dado por:
dU = C v (T) dT
dH = C p (T) dT
Usando las ecuaciones anteriores, la relación de calor específico k se da como:
k = C pag / C v =U / H
Para un gas ideal, esta es la relación entre la energía interna y la entalpía.
CALOR
El calor se define en termodinámica como energía en movimiento. Es la energía que contiene la energía cinética de las moléculas de la sustancia. El calor y la termodinámica son cruciales para ayudar a los diseñadores e ingenieros de procesos a optimizar sus operaciones.
También les permite capturar económicamente la energía involucrada en los procesos químicos. El calor se mueve de temperaturas más altas a más bajas. Esta noción ayuda a los científicos en el desarrollo de diferentes máquinas térmicas. Cuando ocurren disparidades de temperatura, el calor es la energía en tránsito. La energía interna es igual a la suma de la energía cinética interna y la energía potencial interna causada por las fuerzas de atracción molecular. Un cuerpo calentado tiene más energía interna que uno frío del mismo tamaño.
El calor que ingresa al sistema se considera positivo (+ve). Mientras que el calor que sale del se considera negativo (-ve).
Los factores que afectan la cantidad de flujo de calor son:
- La masa de la sustancia (m).
- La diferencia de temperatura entre los dos objetos (ΔT).
- Y por fin la naturaleza de la sustancia.
Esto implica que,
Q ∝ mΔT
o
Q = cmΔT
donde c es la constante de proporcionalidad (llamada capacidad calorífica específica). Está determinado por la naturaleza del cuerpo.
Trabajar
El trabajo realizado por un sistema, según la termodinámica, es la cantidad total de energía que el sistema y su entorno intercambian dentro de sí mismo. La cantidad de trabajo realizado está determinada por elementos externos en el medio ambiente.
Estas variables pueden incluir una fuerza externa, variaciones de temperatura, presión o volumen, etc. La termodinámica también se relaciona con otro término ‘trabajo’ que se relaciona con la transferencia de energía. El trabajo lo realiza el gas durante la expansión y el trabajo lo realiza el gas durante la compresión. El trabajo depende tanto del camino como del estado inicial y final.
El trabajo realizado por el sistema es positivo (+ve) y el trabajo realizado sobre el sistema es negativo (-ve). Por ejemplo, supongamos que un pistón contiene gas. Cuando el pistón se mueve hacia arriba debido a la expansión del gas, se dice que el trabajo lo realiza el gas y es positivo. mientras que, si el pistón se mueve hacia adentro, se dice que el trabajo se realiza sobre el gas y es negativo.
Fig. Trabajo realizado por el gas sobre un pistón.
La fórmula del trabajo realizado está dada por,
W = ∫P.dV
Problemas de muestra
Problema 1. Cuando te colocan un trozo de hielo en la mano, tienes una sensación de frío, ¿por qué?
Solución.
Cuando se pone un trozo de hielo en la mano se siente una sensación de frío porque la temperatura del hielo es menor que la de la mano. Por lo tanto, el calor se transfiere del cuerpo más caliente al más frío, es decir, de la mano al hielo.
Problema 2. ¿Se puede determinar el valor absoluto de la energía interna? ¿Por qué o por qué no?
Solución.
No, el valor absoluto de la energía interna no se puede determinar porque es la suma de diferentes formas de energías y algunas de las cuales no se pueden determinar realmente.
Problema 3. ¿Cuáles son los factores que afectan la energía interna de un sistema?
Solución.
La temperatura y el volumen pueden ser responsables de la alteración de la energía interna a medida que aumenta la temperatura del sistema, las moléculas comienzan a moverse rápidamente y, por lo tanto, la energía cinética también aumenta simultáneamente.
Problema 4. Un cilindro con un pistón móvil se compone de gas sobre el que se coloca un bloque pesado. Suponga que la masa total del bloque y el pistón móvil es de 51 kg. Cuando fluyen 1070 J de calor hacia el gas, la energía interna del gas aumenta en 790 J. ¿Cuál sería la distancia de elevación del pistón?
Solución.
Dado que,
Calor total suministrado = trabajo realizado + cambio en la energía interna
Ahora,
Trabajo realizado = 1070 – 790 = 280 J
Consideremos s la distancia recorrida por el pistón,
El trabajo realizado está dado por
W = Fs
s = 280 / F
s = 280/ 51×10
s = 0,54 metros
Problema 5. Un calentador eléctrico suministra calor a un sistema a razón de 50. Si el sistema realiza un trabajo de 25 Joules por segundo. ¿A qué velocidad aumenta la energía interna?
Solución.
Dado,
Calor suministrado al sistema (Q) = 50 W
Trabajo realizado realizado (W) = 25 J/s
Según la ecuación,
Q = U + W
U = 50 -25
= 25 J/segundo
Por lo tanto, la energía interna del sistema aumenta a razón de 25 J/s.
Problema 6. ¿Qué se considera el fundamento de la Termodinámica?
Solución.
La ley de conservación de la energía de que “la energía no puede crearse ni destruirse” y la transferencia de calor de un cuerpo caliente a un cuerpo frío es la base de la termodinámica.
Publicación traducida automáticamente
Artículo escrito por kumaripunam984122 y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA