1 Calor y termodinámica Calor Q es una forma de energía Se pone de manifiesto cuando dos cuerpos a diferente temperatura entran en contacto T 2 > T 1 flujo.

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1 1 Calor y termodinámica Calor Q es una forma de energía Se pone de manifiesto cuando dos cuerpos a diferente temperatura entran en contacto T 2 > T 1 flujo T2T2 T1T1

2 2 Unidad para medir el calor caloría : cantidad de calor necesaria para elevar en un grado la temperatura de un gramo (masa) de materia.

3 3 CAPACIDAD CALÓRICA C= ∆Q ∆T Es diferente para cada sustancia CALOR ESPECÍFICO C= capacidad calórica = ∆Q masa ∆T m

4 4 Conducción del calor a)conducción: t 2 t 1

5 5 b) convección: flujo caliente flujo frio

6 6 c) radiación: R= ℮σT 4

7 7 Equivalente mecánico del calor: 1 Kcal = 4186 j 1 cal = 4,186j 0,24 cal = 1j

8 8 Segundo principio de la termodinámica 2. Dirección de los procesos espontáneos 1. Espontaneidad de los cambios q W máquina fuente de calor

9 9 Un proceso de cambio espontáneo siempre va acompañado por una dispersión de la energía hacia un aumento del desorden. Segundo principio de la termodinámica

10 10 Es imposible realizar una transferencia completa de calor en trabajo sin que se pierda algo de calor durante el proceso. Enunciado del segundo principio (i) q2q2 W fuente caliente máquina fuente fría q1q1

11 11 El segundo principio de la termodinámica define una nueva función de estado: Entropía (S) La entropía de un sistema aislado aumenta en un proceso irreversible. El primer principio utiliza la energía para identificar los procesos permitidos; el segundo principio utiliza la entropía para identificar los procesos espontáneos.

12 12 Definición termodinámica de entropía dQ rev T dS = dQ rev T  S = ∫ i f La integral de los calores suministrados al sistema a través de un camino reversible, dividido por la temperatura de cada paso.

13 13 Relación entre primera y segunda ley de la termodinámica primera leydU = dq + dW segunda ley dS = dq rev /T dU = dq rev + dW rev dq rev = T dS dU = - P dV + T dS

14 14 Cambios de entropía de un gas ideal Cambio de volumen a T constante dU = - P dV + T dS a T cte dU = 0 P dV = T dS dS = P / T dV para gases ideales dS = nR / V dV integrando entre dos V ∆S = ∫ nR dV / V V2V2 V1V1 ∆S = nR ln V 2 / V 1

15 15 La entropía como función de estado dq rev T = ∫ 0 V P T1T1 T2T2 V1V1 V4V4 V2V2 V3V3 W Ciclo de Carnot 1.(a-b) Expansión isotérmica reversible 2.(b-c) Expansión adiabática reversible hasta T 2 ( Q=0; W) 3. (c-d)Compresión isotérmica reversible 4.(d-a) Compresión adiabática reversible hasta T 1 ( q= 0, w ) a b d c

16 16 La entropía como función de estado dq rev T = ∫ 0 V P ThTh TcTc W V1V1 V4V4 V2V2 V3V3 W TcTc dS = ∫ ThTh qcqc qhqh + TcTc ThTh qcqc qhqh = - Para gases ideales, en procesos adiabáticos se demuestra que Ciclo de Carnot dq rev T = ∫ 0

17 17 Eficiencia de un ciclo de Carnot q1q1 W fuente caliente máquina fuente fría q2q2 Proceso cíclico en el que la sustancia (gas ideal) que genera W regresa a su estado original ∆U = 0 = q h + q c + w - w = q h + q c eficiencia =   = - w / q 1 = q 1 + q 2 q1q1

18 18 Eficiencia de un ciclo de Carnot ∆S = 0 = (S 2 - S 1 ) + (S 1 – S 2 ) a T 1 S 2 - S 1 = q 1 /T 1 a T 2 S 1 - S 2 = q 2 /T 2 0 = q 1 /T 1 + q 2 /T 2 q 1 = T 1 (-q c / T 2 ) q 2 = T 2 (-q 1 / T 1 )  = ( q 1 + q 2 ) / q 1  = ( T 1 – T 2 ) / T 1

19 19  = ( T 1 – T 2 ) / T 1 (T 1 > T 2 ) La eficiencia depende sólo de las temperaturas y no de la sustancia de trabajo (gas ideal o no). La eficiencia calculada es la máxima, ya que todos los pasos son reversibles.

20 20 Eficiencia W fuente caliente máquina fuente fría -10 +20 +10  = q1q1 q 1 + q 2  = T1T1 T 1 – T 2 400 K 200 K  = 400 K 400 K – 200 K = 0.5

21 21 Es imposible construir una máquina que operando en forma cíclica transforme calor en trabajo sin producir ningun cambio en el ambiente. Plank Enunciados de la Segunda Ley q1q1 W fuente caliente máquina q2q2  = 400 K 400 K – 400 K = 0

22 22 Enunciados de la Segunda Ley En los procesos espontáneos hay un aumento de la entropía del universo (principio de creación de la entropía). Prigogyne La energía del universo es constante, la entropía aumenta. Clausius

23 23 Para procesos espontáneos: dS > dQ irrev T

24 24 T 1 > T 2 dq pasa del sistema a los alrededores pérdida de entropía (sistema)dS s = -dq/T 1 ganancia de entropía (medio) dS m = dq/T 2 T1T1 sistema (s) T2T2 medio (m) dq

25 25 dS u = dS m + dS s dS u = dq m /T 2 - dq s /T 1 = dq (1/T 2 - 1/T 1 ) 1/T 2 > 1/T 1 dS u > 0 1/T 2 - 1/T 1 > 0 T 1 > T 2 (medio recibe calor del sistema)

26 26  S u > 0  S de procesos espontáneos finitos  S u =  S s +  S m > 0 condición de espontaneidad (no tiene restricciones de ningún tipo)

27 27 ∆S s = ∆S m ∆S u = 0 Procesos reversibles En los procesos en equilibrio termodinámico (reversibles) no hay aumento de entropía del universo.