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• Kimberly Trujillo Ventosilla

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y DE ENERGÍA ESCUELA DE INGENIERÍA DE ENERGÍA

MONOGRAFÍA: ‘’ ANÁLISIS DE LA CIENCIA QUE SE ENCARGA DE ESTUDIAR EL PROCESO DE CONVERTIR EL CALOR EN POTENCIA’’

ASESOR: GUTIERREZ HERVIAS, ESTEBAN ANTONIO

AUTORES: 

CARHUAMACA CARBAJAL, ANHELO



QUISPE TRUJILLO, MIGUEL ANGEL

(ESCUELA DE ENERGIA)



SOTO GALINDO, DAVID ALEJANDRO

(ESCUELA DE ENERGIA)



TRUJILLO VENTOSILLA, KIMBERLY TANIA

(ESCUELA DE ENERGIA)

(ESCUELA DE MECANICA)

Bellavista-Callao, agosto, 2020 Perú 1

DEDICATORIA “Este presente trabajo está dedicado a nuestros queridos padres, por brindarnos su apoyo incondicional día a día y a los docentes por educarnos con esfuerzo y entusiasmo, para lograr nuestros objetivos y agradecerles por su dedicación”

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INDICE INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 5 RESUMEN .................................................................................................................. 6 CAPITULO I: MARCO TEÓRICO ............................................................................... 7 1.1

DEFINICIÓN DE TERMODINÁMICA ............................................................. 7

1.2

DESCRIPCIÓN MACROSCÓPICA DE SISTEMAS TERMODINÁMICOS .... 7

1.3

PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS ................................................................ 8

1.4

PROPIEDADES DE UN SISTEMA ................................................................ 9

1.4.1

PROPIEDADES EXTENSIVAS ............................................................... 9

1.4.2

PROPIEDADES INTENSIVAS ................................................................ 9

1.5

PROCESOS Y CAMBIOS DE ESTADO ........................................................ 9

1.5.1

ESTADOS DE EQUILIBRIO .................................................................. 10

1.5.2

LIBRE EXPANSIÓN .............................................................................. 10

1.5.3

MÁXIMA LIBRE EXPANSIÓN ............................................................... 10

1.5.4

EXPANSIÓN RESISTIDA ..................................................................... 10

1.5.5

CALENTAMIENTO O ENFRIAMIENTO DE UN SISTEMA ................... 10

1.5.6

TRANSFORMACIÓN Y PROCESOS TERMODINÁMICOS ................. 11

1.5.7

DIAGRAMA DE ESTADO ..................................................................... 11

1.5.8

TRANSFORMACIONES TEÓRICAS .................................................... 11

1.6

PROCESOS TERMODINÁMICOS .............................................................. 11

1.6.1

PROCESO ISOTÉRMICO ..................................................................... 12

1.6.2

PROCESO ISOBÁRICO ....................................................................... 12

1.6.3

PROCESO ISOCÓRICO ....................................................................... 12

1.6.4

PROCESO ADIABÁTICO ...................................................................... 13

1.7

SISTEMA TERMODINÁMICO ..................................................................... 13

1.7.1

FRONTERA .......................................................................................... 14 3

1.7.2

PARED DIATÉRMICAS ........................................................................ 14

1.7.3

PARED ADIABÁTICA............................................................................ 14

1.7.4

EQUILIBRIO TERMODINÁMICO .......................................................... 14

1.7.5

ENERGÍAS INTERNAS......................................................................... 14

1.8

EQUIVALENTE MECÁNICO DE CALOR .................................................... 15

1.9

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA .................................................. 15

1.10 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA................................................. 15 1.10.1 ENUNCIADOS DE KELVIN PLANCK SOBRE LA SEGUNDA LEY: .......... 16 1.10.2 ENUNCIADO DE CLAUSIUS SOBRE LA SEGUNDA LEY: ...................... 16 1.10.3 PROCESOS Y CICLOS REVERSIBLES. ................................................. 16 1.10.4 MAQUINA TÉRMICA ............................................................................ 17 1.11 LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA ........................................................ 20 1.12 TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA ................................................. 21 CONCLUSIONES ..................................................................................................... 23 RECOMENDACIONES ............................................................................................. 23 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 24 ANEXOS ................................................................................................................... 25

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INTRODUCCIÓN La termodinámica fue dando su esplendor desde la antigüedad en tiempos remotos conocidos anteriormente, es decir, la termodinámica surgió en los siglos XVIII como consecuencia de una necesidad los artefactos a vapor, dice que la termodinámica ha sido estudiar con un total de 250 años. En este tema presentaremos poco a poco la importancia de este tema junto con la colaboración de las investigaciones. Este trabajo llevara consigo lo que es razonamiento e interpretación la termodinámica es una ciencia exacta que nos ayuda a llevar a cabo y tener en cuenta varios cambios del calor especifico y determinado. Los objetivos de este trabajo es obtener conocimientos de termodinámica y la transmisión de calor además de sus principios básicos. En el capítulo I del marco teórico definiremos la termodinámica, la descripción de los procesos termodinámicos, sus principios y propiedades de un sistema. En las propiedades de un sistema damos a conocer sus propiedades intensivas y extensivas, dando los conceptos para saber diferenciarlas. También definiremos los procesos termodinámicos y su clasificación que es isotérmico, isobárico e isocórico. En el sistema termodinámico definiremos la frontera, pared diatérmica, la pared adiabática, equilibrio termodinámico y energías internas. Finalmente se definirá y explicará el equivalente mecánico de calor, asimismo la primera ley de la termodinámica, la segunda ley de la termodinámica, la ley cero de la termodinámica y la tercera ley de la termodinámica.

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RESUMEN La termodinámica se define como el proceso que estudia el calor y el trabajo. Si se predispone al estudio directo de la temática conoceremos la importancia de cada uno de los cambios. El calor en si es la transferencia de temperatura a un cuerpo de menor energía y el trabajo, en cambio es la transferencia de calor a un cuerpo de terminado. En la termodinámica se emplean y se estudiaran tres leyes fundamentales que tiene un sin número de características y conceptualizaciones las cuales son: primera ley de la termodinámica, segunda ley de la termodinámica, tercera ley de la termodinámica. La temperatura se ocupa principalmente de las propiedades macroscópicas es decir lo abundante, y de igual manera del cambio de temperatura, en calor, en potencia u otros más, así como la transformación de la materia prima en otras unidades materiales. La termodinámica se basa del calor que significa energía en tránsito" y en la dinámica que significa "movimiento". por lo cual el calor es en sí la circulación de la energía. La metodología aplicada fue descriptiva ya que fue una recopilación de datos e información de diferentes páginas web, informes, etc. PALABRAS CLAVES: Termodinámica, máquina de calor, temperatura, calor, trabajo, energía, Carnot, sistema, transformación, proceso

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CAPITULO I: MARCO TEÓRICO 1.1 DEFINICIÓN DE TERMODINÁMICA La termodinámica es fundamentalmente una ciencia fenomenológica, es decir, una ciencia macroscópica basada en leyes generales inferidas del experimento, independientemente de cualquier "modelo" microscópico de la materia. Su objetivo es, a partir de unos cuantos postulados (leyes de la termodinámica), obtener relaciones entre propiedades macroscópicas de la materia, cuando ésta se somete a toda una variedad de procesos. Debe tenerse presente que las predicciones teóricas de las magnitudes de estas propiedades están fuera del campo de la termodinámica, su obtención proviene del experimento y de disciplinas como la teoría cinética y la mecánica estadística que tratan directamente con las estructuras atómica y molecular de la materia. Por otra parte, es importante señalar que la termodinámica se desarrolló como una tecnología mucho antes de convertirse en ciencia (1) 1.2 DESCRIPCIÓN MACROSCÓPICA DE SISTEMAS TERMODINÁMICOS El sistema termodinámico es la cantidad de materia o radiación lo suficiente para ser descrita por parámetros macroscópicos para la descripción completa del sistema también se necesita una descripción de contornos que pueda permitir el paso de materia y energía al sistema aislado: no intercambia la energía no la masa con su entorno. (2) Sistema aislado: no intercambia energía ni masa con su entorno. sistema cerrado: solo puede intercambiar energía. Sistema abierto: puede intercambiar energía y materia. Sistema móvil/rígido: las paredes permiten (o no) transferir energía en forma de trabajo mecánico. Sistema diatérmico: transferencia de calor sin trabajo. Sistema adiabático: no hay transferencia de calor por las paredes. Sistema en contacto térmico, permeables, en contacto difusivo, etc. Parámetros termodinámicos: variables termodinámicas que describen el 7

micro-estado se pueden decir en términos de un pequeño número de variables de estado. Variables intensivas: independientes de la masa. Cantidades específicas: expresadas por unidades de masa Cantidad molar: expresadas por mol. La anergia interna (o térmica) es la energía total de todas las moléculas del objeto, o sea incluye energía cinética de traslación rotación y vibración de las moléculas, energía potencial en moléculas y energía potencial entre moléculas, para mayor claridad, imagínenos dos barras calientes de un mismo material de igual masa y temperatura. Entre las dos tienen el doble de energía interna respecto de una sola barra, notemos que el flujo de calor entre dos objetos depende de sus temperaturas y no de cuanta energía térmica o interna tiene cada uno, el flujo de calor es siempre desde el objeto a mayor temperatura hacia el objeto de menor temperatura. (3) 1.3 PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS La Termodinámica en su primer principio aporta a la ley de la conservación dos nuevas formas de energía: el calor y la energía interna; y en su segundo principio aporta a la ley de la degradación la herramienta (entropía) mediante la cual puede calcularse la energía que se degrada en cualquier proceso. Así pues, la Termodinámica, que nació como una necesidad para el perfeccionamiento y desarrollo

de los

motores

térmicos, se

ha

convertido

en

una

base

de conocimiento de toda la física. Hay energías 100% transformables en trabajo. El calor y la energía interna son parcialmente transformables en trabajo: (4) Exergía: Exergía es la energía que se puede transformar totalmente en cualquier forma de energía, interactuando con un medio determinado. (5) Anergia: Es la energía que no se puede transformar en exergía. (4) Le energía destruida en un proceso industrial tiene mayor coste económico a medida que se avanza hacia el producto acabado. (4) Los siguientes conceptos básicos para la termodinámica ayudaran en el 8

entendimiento del curso. Equilibrio térmico: Se llama equilibrio térmico al estado en que dos cuerpos en contacto, o separados por una superficie conductora, igualan sus temperaturas inicialmente dispares, debido a la transferencia de calor de uno hacia el otro. (6) Medio exterior: Se denomina al conjunto de sistemas que este influyendo sobre el sistema en estudio. La influencia pude ser térmica debido a una diferencia de temperatura y mecánica debido a una diferencia de presiones. (4) 1.4 PROPIEDADES DE UN SISTEMA 1.4.1 PROPIEDADES EXTENSIVAS Sí dependen de la masa, son magnitudes cuyo valor es proporcional al tamaño del sistema que describe, son propiedades aditivas. 1.4.2 PROPIEDADES INTENSIVAS No dependen de la masa o del tamaño de un cuerpo. Si el sistema se divide en varios subsistemas su valor permanecerá inalterable, por este motivo no son aditivas 1.5 PROCESOS Y CAMBIOS DE ESTADO Es una transformación termodinámica que experimenta un sistema cuando pasa de un estado de equilibrio inicial 1, caracterizado por unos determinados valores de las propiedades termodinámicas, a otro estado de equilibrio final 2, caracterizado por otros valores diferentes. Cuando ocurre una compresión o una expansión, interesa tener en cuenta los diversos estados intermedios en los que sucesivamente se encuentra el sistema desde que abandona el estado inicial hasta que alcanza el estado final. Esta sucesión de estados intermedios es lo que se conoce en termodinámica como trayectoria del proceso. El cambio de estado ocurre siempre que el sistema interacciona con otro sistema o con el medio exterior, esta interacción puede ser térmica (calor) o mecánica (trabajo). Se dice que el sistema a cambiado de estado tan solo 9

porque una de sus propiedades cambia. (7) 1.5.1 ESTADOS DE EQUILIBRIO Hay que considerar un sistema que no experimenta ningún cambio: en estas circunstancias, todas las propiedades se pueden medir o calcular en el sistema, lo cual da un conjunto de propiedades que describe por completo la condición, o el estado, del sistema. En un estado específico, todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos, y si se cambia el valor de una propiedad, el estado cambia a otro diferente. 1.5.2 LIBRE EXPANSIÓN Estos son procesos adiabáticos en los que no se produce transferencia de calor entre el sistema y su entorno y no se realiza ningún trabajo en el sistema. Estos tipos de procesos adiabáticos se denominan expansión libre. Es un proceso irreversible en el que un gas se expande en una cámara de evacuación aislada. También se llama expansión Joule. Para un gas ideal, la temperatura no cambia, sin embargo, los gases reales experimentan un cambio de temperatura durante la expansión libre. En expansión libre, Q = W = 0, y la primera ley requiere que: dE int = 0 No se puede trazar una expansión libre en un diagrama PV, porque el proceso es rápido, no cuasi estático. Los estados intermedios no son estados de equilibrio y, por lo tanto, la presión no está claramente definida. 1.5.3 MÁXIMA LIBRE EXPANSIÓN Un sistema sufre una máxima libre expansión cuando la fuerza exterior F es nula. 1.5.4 EXPANSIÓN RESISTIDA Cuando la diferencia de fuerzas interior y exterior es pequeña, se hablará de expansión resistida. Es lo que ocurre en máquinas de émbolo. 1.5.5 CALENTAMIENTO O ENFRIAMIENTO DE UN SISTEMA En realidad, sólo son de equilibrio los estados inicial y final; sin embargo, en la práctica: el calentamiento o enfriamiento de un sistema puede considerarse como una sucesión de estados en equilibrio 10

1.5.6 TRANSFORMACIÓN Y PROCESOS TERMODINÁMICOS Se llama transformación termodinámica a la sucesión de estados por los que un sistema pasa cuando se le somete a un cambio. Una determinada transformación puede realizarse de infinitas formas; cada una de ellas es un proceso termodinámico. La transformación termodinámica sólo afecta a un determinado sistema, con independencia de su medio exterior; en cambio, el proceso implica a todos los sistemas que intervienen en el mismo. 1.5.7 DIAGRAMA DE ESTADO Se llama diagrama de estado a todo par de ejes, representativo s de dos propiedades del sistema. Cada punto en el plano define pues un estado del sistema. Una transformación termodinámica quedaría representada por una línea. Si sólo son de equilibrio los estados inicial y final los intermedios no podrán lógicamente representarse. Indicaremos esta situación uniendo los estados 1 y 2 mediante una recta de trazo discontinuo. 1.5.8 TRANSFORMACIONES TEÓRICAS Isócoras, o a volumen constante

v=K Isobaras, o a presión constante

p=K Isotermas, o a temperatura constante

T=To ; P=p(V,To) Isotermas de gases perfectos

p ⋅ v = R.To Adiabáticas: el sistema es adiabático cuando no existen rozamientos internos

p.v^γ=K Politrópicas Son transformaciones teóricas que sustituyen a las reales:

p.v^n=K 1.6 PROCESOS TERMODINÁMICOS Se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema termodinámico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de 11

equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí. Los procesos termodinámicos se clasifican en: 1.6.1 PROCESO ISOTÉRMICO En este proceso la temperatura permanece constante. Como la energía interna de un gas ideal sólo es función de la temperatura, en un proceso isotérmico de un gas ideal la variación de la energía interna es cero (∆U= 0). La curva hiperbólica se conoce como isotérmica. (8) En algunos casos especiales, la energía interna de un sistema depende únicamente de su temperatura, no de su presión ni de su volumen. El sistema más conocido que posee esta propiedad especial es el gas ideal. (9) 1.6.2 PROCESO ISOBÁRICO Un proceso isobárico es un desarrollo termodinámico en el cual la presión permanece de forma constante. Esto generalmente se obtiene al permitir que el volumen se expanda o contraiga de tal manera que neutralice cualquier cambio de presión que pueda causar la transferencia de calor. Sin embargo, el trabajo a una presión constante puede calcularse bastante fácilmente con la ecuación: (10) 𝑊 = 𝑝 ∗ ∆𝑉 Si el sistema se expande (ΔV es positivo), entonces el sistema hace un trabajo positivo (y viceversa) Si el sistema se contrae (ΔV es negativo), entonces el sistema realiza un trabajo negativo (y viceversa) 1.6.3 PROCESO ISOCÓRICO Un proceso cuasiestatico termodinámico isocórico se caracteriza por un volumen constante, es decir, ΔV = 0. El proceso no realiza trabajo de presión- volumen, ya que dicho trabajo se define por: 𝑊 = 𝑃∆𝑉 12

donde P es presión. La convención de signos es tal que el sistema realiza un trabajo positivo en el entorno. Si el proceso no es cuasiestático, el trabajo tal vez se pueda realizar en un proceso termodinámico de volumen constante. (11) 1.6.4 PROCESO ADIABÁTICO En proceso adiabático, el sistema es un sistema aislado, el sistema no

recibe ni entrega calor al entorno (q = 0). Un ejemplo de sistemas

adiabáticos son los termos, se guarda por ejemplo agua caliente y está se mantiene de esta manera pues no deja salir el calor al entorno. Por lo tanto, al aplicar la Primera Ley de la Termodinámica, la variación de la energía interna dependerá únicamente del trabajo realizado o recibido por el sistema. (12) ∆𝐸 = 𝑊 Analicemos lo siguiente, para un proceso Adiabático: (12) Si el volumen de los gases se contrae, entonces la variación del volumen es negativa, por lo tanto, el w tendrá signo positivo. El entorno ejerce trabajo sobre el sistema. Podemos asegurar que: ∆𝐸 > 0 Si el volumen de los gases se expande, entonces la variación del volumen es positiva, por lo tanto, el w tendrá signo negativo. El entorno recibe trabajo del sistema. Podemos asegurar que: ∆𝐸 < 0 1.7 SISTEMA TERMODINÁMICO Un sistema termodinámico se define como una cantidad de materia o una región en el espacio sobre el cual la atención se concentra en el análisis de un problema. Todo lo que forma parte del exterior del sistema se llama entorno o entorno. El sistema está separado del entorno por el límite del sistema. El límite puede ser fijo o móvil. Un sistema y sus alrededores juntos 13

1.7.1 FRONTERA La parte del universo que interactúa con el sistema constituye sus alrededores. La interacción en el sistema u sus alrededores están caracterizados por los intercambios mutuos de masa y energía, en sus diversas formas, la energía puede intercambiarse por medio mecánico o por medio no mecánico, este es por proceso de calentamiento o enfriamiento que veremos después. 1.7.2 PARED DIATÉRMICAS Son aquellas que permiten interacciones que modifiquen el grado relativo de calentamiento. Los metales son materiales que constituyen excelentemente paredes diatérmicas. 1.7.3 PARED ADIABÁTICA Son aquellas que no permiten que un sistema modifique su grado relativo de calentamiento. Los llamados aislantes térmicos a nivel comercial son excelentes ejemplos de materiales con esta propiedad 1.7.4 EQUILIBRIO TERMODINÁMICO Así como en mecánica describimos el movimiento de una partícula a través de sus posiciones y velocidad, en termodinámica determinamos el estado del sistema en términos de ciertos atributos macroscópicos susceptibles de ser medidos experimentalmente. Estos atributos que describen las condiciones físicas del sistema, están íntimamente relacionados con las restricciones impuestas al mismo. 1.7.5 ENERGÍAS INTERNAS La energía interna de un sistema se puede modificar ejerciendo un trabajo sobre él o bien calentándolo (proporcionando energía térmica). La primera ley de la termodinámica postula que el incremento de energía interna es igual al calor total añadido más el trabajo realizado por el entorno. De acuerdo con este principio de la termodinámica: si el sistema está aislado, su energía interna se mantiene constante.………………………….

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1.8 EQUIVALENTE MECÁNICO DE CALOR Joule y Rumford muestra, a través de sus expresiones, que Q es una forma no mecánica de energía, estableciendo la relación entre la caloría, definida como la cantidad de calor requerido para elevar 1g de agua en 1°C de temperatura y su equivalente en trabajo mecánico (energía) de 4.187 Joules, que producen cambio de temperatura igual en el mismo volumen de agua. Entonces, al factor de conversión de unas unidades a otras se le conoce como el equivalente mecánico del calor, presentado por J así: J=4.187 joule/caloría De esta manera, se estableció la relación entre el concepto de flujo de calor de acuerdo a los cambios en la temperatura ocasionados en un cuerpo (calorimetría) y el concepto de flujo de calor como energía (termodinámica) (1) 1.9 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La primera ley de la termodinámica establece que: "La energía total de un sistema aislado ni se crea ni se destruye, permanece constante". Es un principio que refleja la conservación de la energía. La energía sólo se transforma de un tipo a otro. Cuando desaparece una clase de energía debe producirse una cantidad equivalente de otra clase. (13) ∆𝑈 = 𝑄 − 𝑊 La energía interna de cualquier sistema termodinámico depende exclusivamente de su estado. El cambio de energía interna durante cualquier proceso depende únicamente de los estados inicial y final, no de la trayectoria seguida. La energía interna de un sistema aislado es constante. (9) 1.10 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario. También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, La Segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. 15

La primera ley niega la posibilidad de crear o destruir energía; la segunda limita la disponibilidad de la e ne rgía y la s formas en que puede usarse y con ve rt irse . La segunda ley de la termodinámica apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero. La segunda ley de la termodinámica o segundo principio de la termodinámica expresa, en una forma concisa, que "La cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo". Más sencillamente, cuando una parte de un sistema cerrado interacciona con otra parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un equilibrio térmico. 1.10.1 ENUNCIADOS DE KELVIN PLANCK SOBRE LA SEGUNDA LEY: No es posible que un dispositivo que funciones cíclicamente reciba energía mediante trasferencia de calor solo desde una fuente térmica y entregue una cantidad equivalente de energía en forma de trabajo al entorno. 1.10.2 ENUNCIADO DE CLAUSIUS SOBRE LA SEGUNDA LEY: No es posible un proceso cuyo único resultado sea la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura. Entropía: La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La palabra entropía procede del griego (ἐ ντροπία) y significa evolución o transformación. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la desarrolló durante la década de 1850. 1.10.3 PROCESOS Y CICLOS REVERSIBLES. Son aquellos que en un instante dado pueden detenerse e invertir la secuencia 16

de estados recorridos, para hacer retornar, tanto el sistema como sus alrededores, a sus estados originales; dicho de otra manera: se dice que un proceso es reversible cuando puede llevarse a cabo la inversión hipotética del proceso, sin que se viole la segunda ley de la termodinámica. Si el estado inicial del sistema, puede restablecerse si efectos observables en el sistema y sus alrededores. Ciclo Stirling: el medio de trabajo es un gas ideal, el ciclo está constituido básicamente por dos procesos isotérmicos y dos procesos isométricos reversibles. Proceso isotérmico: un gas se comprime isotérmicamente (Tf)desde un volumen especifico v1 hasta un volumen especifico v2. Durante este proceso la presión aumenta y el sistema disipa una cantidad de calor hacia la región que está a Tf −dTf, en caso contrario; un gas se expande isotérmicamente a una temperatura constante hasta adquirir su volumen inicial, recibiendo al mismo tiempo una cantidad de calor (de entrada) el cual proviene de la región que se halla a temperatura Tf −dTf. Proceso isométrico: durante este proceso el a volumen constante el gas absorbe una cantidad de calor, aumentando por ende su temperatura hasta un valor final. O en caso contrario; un gas se enfría desde

una

temperatura

inicial

hasta

una

temperatura

final

manteniendo su volumen constante y disipando una cantidad de calor. Ciclo Ericsson: el medio de trabajo es un gas ideal, el ciclo está constituido por dos procesos isotérmicos y dos procesos isobáricos. 1.10.4 MAQUINA TÉRMICA Una maquina térmica se puede definir como un dispositivo que funciona en un ciclo termodinámico y que realiza cierta cantidad de trabajo neto positivo a través de la transferencia de calor desde un cuerpo a temperatura elevada y hacia un cuerpo a baja temperatura. Con frecuencia el termino maquina térmica se utiliza en un sentido más amplio que incluye a todos los dispositivos que producen trabajo. Entre las que tenemos las maquinas refrigerantes y las bombas de calor. El mejor ejemplo de estas máquinas 17

térmicas son los refrigeradores y bombas de calor que tienen como fin enfriar o calentar un entorno.

Características del ciclo de Carnot -El ciclo de Carnot utiliza dos fuentes una de Baja temperatura y otra a Alta temperatura las cuales sin importar la cantidad de calor que se transfiera permanecen constantes. -Todos los procesos del ciclo de Carnot son reversibles y por ser así todo el ciclo se podría invertir. -El fluido de trabajo de una maquina térmica en el ciclo de Carnot debe tener una temperatura infinitesimalmente mayor que la fuente de alta temperatura y temperatura infinitesimalmente inferior que la fuente de baja temperatura e el caso de un refrigerador Eficiencia de una maquina térmica Se dice que la eficiencia es la relación entre la salida, la energía que se busca tener, y la entrada, la energía que cuesta, pero se debe definir la salida y la entrada. Se puede decir que una maquina térmica, la energía que se busca es el trabajo y la energía que cuesta es el calor de la fuente de alta temperatura (costo del combustible) Eficiencia térmica para un ciclo de Carnot

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La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de rendimiento, que se identifica con el símbolo ðð En un refrigerador, la energía que se busca es el calor que se transfiere desde el espacio refrigerado. La energía que cuesta es el trabajo, así el coeficiente de rendimiento, ð, es: ð = Ql (Energía que se busca) = Ql = 1 W (Energía que cuesta) Qh - Ql Qh/Ql – 1 En una bomba de calor el objetivo es el calor que se transfiere desde el refrigerante al cuerpo de alta temperatura, que es el espacio que se quiere calentar el coeficiente de rendimiento es: ð = Ql (Energía que se busca) = Qh = 1 W (Energía que cuesta) Qh - Ql 1- Ql/Qh Refrigeradores El propósito de un refrigerador es la extracción de calor, llamado la carga de enfriamiento, de un medio de baja temperatura. Cuando estamos interesados en la energía en forma de calor removida de un espacio de baja temperatura, el dispositivo es llamado refrigerador. En una maquina refrigerante o refrigerador el fluido de trabajo es el refrigerante como R- 12, R - 22, R - 134ª, R - 407c, Agua destilada y el amoniaco, que pasa por un ciclo termodinámico. El cual comienza en el compresor al cual entra refrigerante a baja presión y temperatura en un estado de vapor saturado y sale como vapor sobrecalentado alta presión llega al condensador donde el refrigerante se condensa transfiriendo el calor al agua o al entorno de manera natural o por flujo forzado, del condensador sale como vapor húmedo y pasa a la válvula de expansión en donde baja su presión y pasa al evaporador donde todo el refrigerante se evapora mediante una transferencia de calor del entorno al fluido de trabajo, este vapor entra nuevamente al compresor cumpliéndose el ciclo. Eficiencia térmica de un refrigerador:

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Bomba de calor: El propósito de una bomba de calor es la transferencia de calor a un medio de altas temperaturas, llamada carga de calentamiento. Cuando nos interesa la energía suplida a un estado de alta temperatura, el dispositivo es llamado bomba de calor. En general, el termino bomba de calor es usado para describir el ciclo en el que la energía en forma de calor es removida de un espacio de baja temperatura depositada en un espacio de alta temperatura (14) Eficiencia de una bomba de calor:

1.11 LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA Con el material que hemos discutido hasta ahora, estamos preparados para describir la Ley de Cero de la Termodinámica. Como las otras leyes de la termodinámica que veremos, la Ley de Cero se basa en la observación y en su comprobación experimental. Consideremos dos observaciones como punto de partida (15): Si dos cuerpos están en contacto térmico por un tiempo lo suficientemente largo, ningún cambio futuro observable toma lugar y se dice que el equilibrio térmico prevalece. Dos sistemas que están individualmente en equilibrio térmico con un tercero y estos dos están en equilibrio térmico uno con el otro, entonces los tres sistemas tienen el mismo valor de la propiedad llamada temperatura. Estas ideas que relacionan la temperatura y del equilibrio térmico se expresan formalmente en la Ley Cero de la Termodinámica: Ley Cero. Existe para cada sistema termodinámico en equilibrio una propiedad llamada temperatura. La igualdad de la temperatura es una condición necesaria y suficiente para el equilibrio térmico. La Ley Cero define así una propiedad (temperatura) y describe su comportamiento. Es importante observar que esta ley es verdadera sin importar cómo medimos la propiedad temperatura. 20

Si bien las escalas de temperaturas empíricas y la temperatura termodinámica son discutidas más adelante, presentamos las dos escalas absolutas utilizadas actualmente. La escala Kelvin K = 273.15 + °C donde °C son los grados centígrados y la escala Rankine R = 459 + °F donde °F son los grados Fahrenheit. 1.12 TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Esta ley establece que es imposible conseguir el cero absoluto de la temperatura (0 grados Kelvin), cuyo valor es igual a - 273.15°C. Alcanzar el cero absoluto de la temperatura también sería una violación a la segunda ley de la termodinámica, puesto que esta expresa que, en toda máquina térmica cíclica de calor, durante el proceso, siempre tienen lugar pérdidas de energía calorífica, afectando así su eficiencia, la cual nunca podrá llegar al 100% de su efectividad. Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de - 273,16ºC. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable. "La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero". "La primera y la segunda ley de la termodinámica se pueden aplicar hasta el límite del cero absoluto, siempre y cuando en este límite las variaciones de entropía sean nulas para todo proceso reversible". HISTORIA La tercera ley fue desarrollada por el químico Walther Nernst durante los años 1906-1912, por lo que se refiere a menudo como el teorema de Nernst o postulado de Nernst. La tercera ley de la termodinámica dice que la entropía de un sistema en el cero absoluto es una constante definida. Esto se debe a que un 21

sistema a temperatura cero existe en su estado fundamental, por lo que su entropía está determinada sólo por la degeneración del estado fundamental. En 1912 Nernst estableció la ley así: «Es imposible por cualquier procedimiento alcanzar la isoterma T = 0 en un número finito de pasos» Una versión alternativa de la tercera ley según lo establecido por Gilbert N. Lewis y Merle Randall en 1923 DESCRIPCIÓN En términos simples, la tercera ley, indica que la entropía de una sustancia pura y cristalina en el cero absoluto es nula. Por consiguiente, la tercera ley provee de un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. La entropía relativa a este punto es la entropía absoluta. Un caso especial se produce en los sistemas con un único estado fundamental, como una estructura cristalina. La entropía de un cristal perfecto definida por el teorema de Nernst es cero (dado que el log(1) = 0. Sin embargo, esto desestima el hecho de que los cristales reales deben crecer en una temperatura finita y poseer una concentración de equilibrio por defecto. Cuando se enfrían generalmente son incapaces de alcanzar la perfección completa. Esto, por supuesto, se mantiene en la línea de que la entropía tiende siempre a aumentar dado que ningún proceso real es reversible. Otra aplicación de la tercera ley es con respecto al momento magnético de un material. Los metales paramagnéticos (con un momento aleatorio) se ordenarán a medida que la temperatura se acerque a 0 K. Se podrían ordenar de manera ferromagnética (todos los momentos paralelos los unos a los otros) o de manera anti ferromagnética.

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CONCLUSIONES La termodinámica en la vida diaria es fundamental para las diferentes actividades realizadas para las personas que habitan en su ciudadela, sirve para conocer las ventajas y desventajas de la energía, las características y fundamentaciones que tiene para cada individuo, pero en si nos preguntamos, ¿será que las personas tienen la posibilidad de conocer la definición de la termodinámica? Es por ello que nos basamos en diferentes formas para realización de este trabajo. Si conocemos la termodinámica, dirán que está relacionado con la Física (aunque realmente así lo es), pero gracias a nuestra investigación, tomamos en conclusión que la termodinámica es aquella que transfiere la energía como calor y trabajo, el primero es la transferencia de energía por media de la temperatura y la segunda es la transferencia de energía sin el uso de la temperatura En la termodinámica encontramos tres cambio y procesos importantes, como son primera ley de la termodinámica, segunda ley de la termodinámica y la tercera ley de la termodinámica

RECOMENDACIONES Dados los contenidos que se desarrollan es fundamental el conocimiento de asignaturas previas tales como física y matemática para la correcta y fácil compresión

de

los

principios

termodinámicos

relacionados

con

la

transformación de energía, con la eficiencia de dicha transformación, y con la transferencia de energía.

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BIBLIOGRAFÍA 1. Ibero.mx. [En línea] [Citado el: 13 de julio de 2020.] https://ibero.mx/campus/publicaciones/fisica/pdf/15termodinamica.pdf. 2. Rodrigo, José G. Repaso de Termodinámica. 2003. 3. JFinternacional. [En línea] [Citado el: 5 de agosto de 2020.] https://www.jfinternational.com/mf/tercera-ley-termodinamica.html. 4. Principios de la termodinamica. [En línea] 2015. [Citado el: 13 de julio de 2020.] https://www.academia.edu/31456106/PRINCIPIOS_TERMODIN%C3%81MICOS. 5. Exergia . Corrientes- Argemtina : UNNE-FI. 6. Concepto .de. [En línea] [Citado el: 13 de julio de 2020.] https://concepto.de/equilibrio-termico/. 7. UNET. Procesos de transporte. procesos y cambio de estado. [En línea] [Citado el: 30 de julio de 2020.] unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T73.htm#:~:text=Es%20una%20transformación%20termodinámica%20que,caracteriz ado%20por%20otros%20valores%20diferentes. 8. scribd. [En línea] https://es.scribd.com/doc/112344050/PROCESO-ISOTERMICO. 9. Materias. [En línea] http://materias.df.uba.ar/f2bygaa2016c1/files/2012/07/RESUMEN-TERMO2A_1C2016.pdf. 10. Mundo del motor . [En línea] https://www.mundodelmotor.net/proceso-isobarico/. 11. Solar energia. [En línea] https://solar-energia.net/termodinamica/procesostermodinamicos/proceso-isocorico. 12. corinto.pucp. [En línea] 2011. http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/133-primera-ley-de-latermodinamica-procesos-isocoricos-y-procesos-adiabaticos.html. 13. Energia Solar. [En línea] https://solar-energia.net/termodinamica/leyes-de-latermodinamica/primera-ley-termodinamica. 14. Hernández, Isaac. Segunda ley de la termodinámica. [En línea] [Citado el: 19 de Julio de 2020.] https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2012/01/tema-iiisegunda-ley-de-la-termodinamica.pdf. 15. I, modulo. Ley cero de la termodinámica. [En línea] [Citado el: 2 de Agosto de 2020.] http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Modulos/Modulo1.pdf. 24

ANEXOS

FIGURA 1: FUNCIONAMIENTO DE UNA MAQUINA TERMICA

GRAFICA 1: PRESIÓN/VOLUMEN EFICIENCIA DE CARNOT

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FIGURA 2: CICLO DE CARNOT

FIGURA 3: JULIUS ROBERT, ANUNCIO LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

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