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MONOGRAFIA TERMODINÁMICA Y PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

MARÍA ISABEL PEÑA MORA 1610958 ANGIE ZAMBRANO 1611030 NICOLAS CARVAJAL 1611066

Doc. CRISTÓBAL ZAMBRANO

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Y DEL AMBIENTE INGENIERÍA BIOTECNOLOGICA BIOFISICA CÚCUTA 2015

INTRODUCCION Termodinámica, campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como sus intercambios energéticos. Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería. En la siguiente monografía se desarrollará y se explicarán las cuatro principales leyes de la termodinámica, mediante una serie de demostraciones y experimentos sencillos realizados en el laboratorio, utilizando elementos accesibles y procedimientos simples que se pueden efectuar en cualquier aula.     

Las leyes de la termodinámica que se desarrollarán serán: Ley cero de la termodinámica o principio del equilibrio termodinámico. Primera ley de la termodinámica o principio de la conservación de la energía. Segunda ley de la termodinámica. Tercera ley de la termodinámica.

Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos

GLOSARIO CONSERVACIÓN DE ENERGÍA: la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación. TEMPERATURA: es una propiedad de la materia que está relacionada con la sensación de calor o frío que se siente en contacto con ella. Cuando tocamos un cuerpo que está a menos temperatura que el nuestro sentimos una sensación de frío, y al revés de calor. ENTROPIA: es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo.

TABLA DE CONTENIDO Pag Importancia de la termodinamica……………………………………………….…4  Sistema termodinamicos  Alrededores Principios de la termodinamica……………………………………………….…...6  Principio cero de la termodinamica  Primer principio de la termodinamica  Segundo principio de la termodinamica  Tercer principio de la termodinamica Termodinamica aplicada en el cuerpo humano………………………………..…...7 Conclusiones………………………………………………………………..……...9 Bibliografia/cibergrafia………………………………………………………..…..10

IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA La conservación de la energía, una ley bien conocida en mecánica, se transforma en el primer principio de la termodinámica, y el concepto de entropía corresponde a la magnitud del desorden a escala molecular. Suponiendo que todas las combinaciones de movimientos moleculares son igual de probables, la termodinámica demuestra que cuanto más desordenado sea el estado de un sistema aislado, existen más combinaciones que pueden dar lugar a ese estado, por lo que ocurrirá con una frecuencia mayor. La probabilidad de que se produzca el estado más desordenado es abrumadoramente mayor que la de cualquier otro estado. Esta probabilidad proporciona una base estadística para definir el estado de equilibrio y la entropía. Por último, la temperatura puede disminuirse retirando energía de un sistema, es decir, reduciendo la intensidad del movimiento molecular. El cero absoluto corresponde al estado de un sistema en el que todos sus componentes están en reposo. Sin embargo, este concepto pertenece a la física clásica. Según la mecánica cuántica, incluso en el cero absoluto existe un movimiento molecular residual. Un análisis de la base estadística del tercer principio se saldría de los límites de esta discusión. SISTEMA TERMODINAMICO Un sistema termodinamico esta constituido por cierta cantidad de materia o radiacion en una region de espacio que nosotros consideramos para su estudio. Al hablar de cierta region del espacio, surge de manera natural el concepto de frontera, esta es, la region que separa al sistema del resto del universo fisico. Esta frontera en la mayoria de los casa, esta constituida por paredes del recipiente que contiene al sistema (gluidos, radiacion electromagnetica) o bien, su superficie exterior (trozo de metal, gota de agua, membrana superficial). Sin embargo, puede darse el caso de una porcion de masa de un fluido en reposo o en movimiento. Es importante señalar que el sistema termodinamico y sus fronteras estan determinados por el observador. De hecho el observador determina el sistema a estudiar a traves de las restricciones que impone cuando lo elige para su estudio. Estas restricciones pueden ser de naturaleza geometrica, mecanica o termica. Las primeras estan impuestas a traves de paredes que confinan al sistema a una region finita del espacio. Las mecanicas determinan como poder intercambiar energia cn el sistema a traves de la transmision de trabajo mecanico, incluyendo todos los equivalentes de este trabajo: el trabajo magnetico, electrico quimico, electroquimico etc. Por ejempplo un fluido encerrado en un recipiente con un piston movible. Las paredes termicas determinan la propiedad de poder afectar el grado e relativo de enfriamiento o calentamiento que posee el sistema. Este, por el momento, lo identificaremos de manera burda por el sentido del tacto. ALREDEDORES La parte del universo que interaccionan con el sistema constituyente sus alrededores. La interaccion entre el sistema y sus alrededores estara caracterizada por los entercambios mtuos de masa y energia, en sus diversas formas, la energia puede intercambiarse por medios mecanicos o por medios no mecanicos, esto es por procesos de calentamiento o enfriamiento. En el caso de que un sistema esta contenido en un recipiente, lo cual es una situacion comun en termodinamica, el grado de interaccion con sus alrededores dependera de la naturaleza de sus paredes: a) Pareces adiabaticas: Son aquellas que nos permiten que un sistema modifique su grado ralativo de calentamiento. Los llamados aislantes termicos a nivel comercial son excelentes ejemplos de materiales con esta propiedad, como la madera, el asbesto, etc. En general supondremos que los sistemas poseen dimensiones suficientemente pequeñas para pder despreciar los efectos del campo gravitacional. b) Paredes diatermicas: son aquellas que permiten interacciones que modifiquen el grado relativo de calentamiento. Los metales son materiales que constituyen excelentes paredes diatermicas.

En virtud de la naturaleza de las paredes, los sistemas termodinamicos se pueden clasificar en:  SISTEMA AISLADO: Es aquel que cuando esta en funcionamiento no permite la entrada del calor o la salida del calor y no permite la entrada de la masa o la salida de la masa por ejemplo los calorimetros a presion y volumes constant y los reactors quimicos.

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SISTEMA ABIERTO: Es aquel Sistema que cuando esta en funcionamiento permite la entrada de calor y la salida del calor, entrada de la masa y salida de la masa por ejemplo los aires aconcionados, ventiladores las calderas.

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SISTEMA CERRADO: Es aquel que cuando esta en funcionamiento permite la entrada de calor y la salidad de calor pero no permite la entrada de la masa y la salida de la masa por ejemplo las ollas a presion y los reactors intermitentes.

PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA Principio cero de la termodinámica Frecuentemente, el lenguaje de las ciencias empíricas se apropia del vocabulario de la vida diaria. Así, aunque el término “temperatura” parece evidente para el sentido común, su significado adolece de la imprecisión del lenguaje no matemático. El llamado principio cero de la termodinámica, que se explica a continuación, proporciona una definición precisa, aunque empírica, de la temperatura. Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura. Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito que se encuentra a una temperatura determinada, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste. (El llamado entorno infinito es una abstracción matemática denominada depósito térmico; en realidad basta con que el entorno sea grande en relación con el sistema estudiado.) La temperatura se mide con dispositivos llamados termómetros. Un termómetro se construye a partir de una sustancia con estados fácilmente identificables y reproducibles, por ejemplo el agua pura y sus puntos de ebullición y congelación en condiciones normales. Si se traza una escala graduada entre dos de estos estados, la temperatura de cualquier sistema se puede determinar poniéndolo en contacto térmico con el termómetro, siempre que el sistema sea grande en relación con el termómetro. Primer principio de la termodinámica La primera ley de la termodinámica da una definición precisa del calor, otro concepto de uso corriente.

Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos. Para explicar este fenómeno, los científicos del siglo XVIII conjeturaron que una sustancia que estaba presente en mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura fluía hacia el cuerpo de menor temperatura. Según se creía, esta sustancia hipotética llamada “calórico” era un fluido capaz de atravesar los medios materiales. Por el contrario, el primer principio de la termodinámica identifica el calórico, o calor, como una forma de energía. Se puede convertir en trabajo mecánico y almacenarse, pero no es una sustancia material. Experimentalmente se demostró que el calor, que originalmente se medía en unidades llamadas calorías, y el trabajo o energía, medidos en julios, eran completamente equivalentes. Una caloría equivale a 4,186 julios. El primer principio es una ley de conservación de la energía. Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse dejando a un lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia entre masa y energía la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí. En cualquier máquina, hace falta cierta cantidad de energía para producir trabajo; es imposible que una máquina realice trabajo sin necesidad de energía. Una máquina hipotética de estas características se denomina móvil perpetuo de primera especie. La ley de conservación de la energía descarta que se pueda inventar nunca una máquina así. A veces, el primer principio se enuncia como la imposibilidad de la existencia de un móvil perpetuo de primera especie. Segundo principio de la termodinámica La segunda ley de la termodinámica da una definición precisa de una propiedad llamada entropía. La entropía se puede considerar como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también se puede considerar como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. La segunda ley afirma que la entropía, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. La naturaleza parece pues “preferir” el desorden y el caos. Se puede demostrar que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja a una región de temperatura más alta. El segundo principio impone una condición adicional a los procesos termodinámicos. No basta con que se conserve la energía y cumplan así el primer principio. Una máquina que realizara trabajo violando el segundo principio se denomina “móvil perpetuo de segunda especie”, ya que podría obtener energía continuamente de un entorno frío para realizar trabajo en un entorno caliente sin coste alguno. A veces, el segundo principio se formula como una afirmación que descarta la existencia de un móvil perpetuo de segunda especie. Tercer principio de la termodinámica El segundo principio sugiere la existencia de una escala de temperatura absoluta con un cero absoluto de temperatura. El tercer principio de la termodinámica afirma que el cero absoluto no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él. Termodinámica aplicada en el cuerpo humano El cuerpo humano puede ser considerado como un sistema termodinámico abierto, que debe mantener su temperatura constante de 37ºC, a pesar de encontrarse en un entorno de temperatura generalmente inferior que se pude tomar como una media de 15ºC. Por otra parte esta continuamente intercambiando material y energía con sus alrededores (metabolismo), consumiendo energía para desarrollar los trabajos internos y externos, y para fabricar moléculas estables (anabolismo) para lo cual necesita alimentarse ingiriendo moléculas de gran energía libre (nutrición) que a partir de determinadas reacciones de combustión dan lugar a productos de menor energía (catabolismo). Tiene la peculiaridad de que su entropía es mínima, por eso es un sistema termodinámico inestable lo que

provoca su evolución permanente, o sea la vida misma. Precisamente la muerte implicaría un estado de máxima entropía. Para que el organismo vivo pueda mantenerse en dicho estado es necesario que elimine el exceso de entropía que se produce continuamente inherente a los procesos vitales: circulación de la sangre, respiración, etc. La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía no se crea ni se destruye solo se trasforma , en organismos vivientes las reacciones más frecuentes son irreversibles y no son hechas en condiciones adiabática y es por eso que la aplicación de las leyes de la termodinámica se limita bastante , en sistemas biológicos el proceso de clasificación de las propiedades de sistemas es más complicado pero en general podemos decir que los seres vivos no son sistemas en equilibrio , estos organismos son organismos abiertos que intercambian energía y materia con el entorno.

CONCLUSIONES La termodinamica es fundamentalmente una ciencia fenomenologica, es decir, una ciencia macroscopica basada en leyes generales inferidas del experimento, independientemente de cualquier “modelo” microscopico de la materia. Su objetivo es, a partir de unos cuantos postulados (leyes de la termodinamica), obtener relaciones entre propiedades macroscopicas de la materia, cuando esta se somete a toda una variedad de procesos. Por otra parte, es importante señalar que la termodinamica se desarrollo como una tecnologia mucho antes de convertirse en ciencia. Los seres vivos estamos apegados a las leyes físicas, la entropía creciente en nuestro organismo termina acabando con nosotros al momento de morir, esa energía se libera al medio, donde es aprovechada por otros organismos. Uno de los conceptos primarios que permite comprender la termodinámica de los seres vivos, es el llamado principio de Margalef .Los seres vivos son sistemas físicos (equivalencia) complejos, integrados por un sistema disipativo y uno auto organizativo acoplados entre sí (condición).

BIBLIOGRAFIA/CIBERGRAFIA Definicion abec diccionario facil (2007) http://www.definicionabc.com/ciencia/termodinamica.php#ixzz2zYJC1hKN.

disponible

en

Como se relaciona la termodinamica con los seres vivos/ angelodemonio54 (2007) yahoo respuestas dinponible enhttps://ar.answers.yahoo.com/question/index?qid=20080324161351AAhh7f8. Aspectos generales de la termodinamica (anonimo) 01 de agosto del 2006. Disponible en http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_01/cap_01.htm. Capitulo15. Segunda ley de la termodinamica y entropia.wed social.([email protected]) disponible en http://www.jfinternational.com/mf/termodinamica.html