Termodinámica

LA TERMODINÁMICA PUEDE DEFINIRSE COMO EL TEMA DE LA FÍSICA QUE ESTUDIA LOS PROCESOS EN LOS QUE SE TRANSFIERE ENERGÍA COMO CALOR Y COMO TRABAJO.

SABEMOS QUE SE EFECTÚA TRABAJO CUANDO LA ENERGÍA SE TRANSFIERE DE UN CUERPO A OTRO POR MEDIOS MECÁNICOS. EL CALOR ES UNA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA DE UN CUERPO A UN SEGUNDO CUERPO QUE ESTÁ A MENOR TEMPERATURA. O SEA, EL CALOR ES MUY SEMEJANTE AL TRABAJO.

TC/5=TF-32/9=TK-273/5

El calor

El calor no es una nueva forma de energía, es el nombre dado a una transferencia de energía de tipo especial en el que intervienen gran número de partículas. Se denomina calor a la energía intercambiada entre un sistema y el medio que le rodea debido a los choques entre las moléculas del sistema y el exterior al mismo y siempre que no pueda expresarse macroscópicamente como producto de fuerza por desplazamiento.
Se debe distinguir también entre los conceptos de calor y energía interna de una sustancia. El flujo de calor es una transferencia de energía que se lleva a cabo como consecuencia de las diferencias de temperatura. La energía interna es la energía que tiene una sustancia debido a su temperatura, que es esencialmente a escala microscópica la energía cinética de sus moléculas.
El calor se considera positivo cuando fluye hacia el sistema, cuando incrementa su energía interna. El calor se considera negativo cuando fluye desde el sistema, por lo que disminuye su energía interna.
Cuando una sustancia incrementa su temperatura de T_A a T_B, el calor absorbido se obtiene multiplicando la masa (o el número de moles n) por el calor específico c y por la diferencia de temperatura T_B-T_A.
Q=nc(T_B-T_A)
Cuando no hay intercambio de energía (en forma de calor) entre dos sistemas, decimos que están en equilibrio térmico. Las moléculas individuales pueden intercambiar energía, pero en promedio, la misma cantidad de energía fluye en ambas direcciones, no habiendo intercambio neto. Para que dos sistemas estén en equilibrio térmico deben de estar a la misma temperatura.

Primera ley de la Termodinámica

La primera ley no es otra cosa que el principio de conservación de la energía aplicado a un sistema de muchísimas partículas. A cada estado del sistema le corresponde una energía interna U. Cuando el sistema pasa del estado A al estado B, su energía interna cambia en
DU=U_B-U_A
Supongamos que el sistema está en el estado A y realiza un trabajo W, expandiéndose. Dicho trabajo mecánico da lugar a un cambio (disminución) de la energía interna de sistema
DU=-W
También podemos cambiar el estado del sistema poniéndolo en contacto térmico con otro sistema a diferente temperatura. Si fluye una cantidad de calor Q del segundo al primero, aumenta su energía interna en
DU=Q
Si el sistema experimenta una transformación cíclica, el cambio en la energía interna es cero, ya que se parte del estado A y se regresa al mismo estado, DU=0. Sin embargo, durante el ciclo el sistema ha efectuado un trabajo, que ha de ser proporcionado por los alrededores en forma de transferencia de calor, para preservar el principio de conservación de la energía, W=Q.

• Si la transformación no es cíclica DU¹ 0
• Si no se realiza trabajo mecánico DU=Q
• Si el sistema está aislado térmicamente DU=-W
• Si el sistema realiza trabajo, U disminuye
• Si se realiza trabajo sobre el sistema, U aumenta
• Si el sistema absorbe calor al ponerlo en contacto térmico con un foco a temperatura superior, U aumenta.
• Si el sistema cede calor al ponerlo en contacto térmico con un foco a una temperatura inferior, U disminuye.

Todo estos casos, los podemos resumir en una única ecuación que describe la conservación de la energía del sistema.

DU=Q-W

Si el estado inicial y final están muy próximos entre sí, el primer principio se escribe
dU=dQ-pdV

Transformaciones

La energía interna U del sistema depende únicamente del estado del sistema, en un gas ideal depende solamente de su temperatura. Mientras que la transferencia de calor o el trabajo mecánico dependen del tipo de transformación o camino seguido para ir del estado inicial al final.

Isócora o a volumen constante

No hay variación de volumen del gas, luego W=0 Q=ncV(TB-TA) Donde cV es el calor específico a volumen constante

Isóbara o a presión constante

W=p(vB-vA) Q=ncP(TB-TA) Donde cP es el calor específico a presión constante

CALORES ESPECÍFICOS A PRESIÓN CONSTANTE C_P Y A VOLUMEN CONSTANTE C_V

En una transformación a volumen constante dU=dQ=nc_VdT
En una transformación a presión constante dU=nc_PdT-pdV
Como la variación de energía interna dU no depende del tipo de transformación, sino solamente del estado inicial y del estado final, la segunda ecuación se puede escribir comonc_VdT=nc_PdT-pdV
Empleando la ecuación de estado de un gas ideal pV=nRT, obtenemos la relación entre los calores específicos a presión constante y a volumen constante
c_V=c_P-R
Para un gas monoatómico
 
Para un gas diatómico


La variación de energía interna en un proceso AB es DU=nc_V(T_B-T_A)

Se denomina índice adiabático de un gas ideal al cociente 

                                  EJERCICIO1

ALGORITMO

       1.- DECLARACIÓN

             T_B, T_{A, Q, n    Relaes}

       2.- ASIGNACIÓN 

           

            T_{B= 85°C}    T_{A=5°C    n=200kg    Q=1 Kcal/°c kg}

       

       3.- PROCESO

          

           Q=n.c(T_B-T_A.)

       4.- RESULTADO 

        

            Q

                                Diagrama de Flujo                                                         

Codificación C++

#include <iostream>

#include <math.h>

using namespace std;

int main()

{

    // 1)Declaración

    int I, F, Q, n, c;

    // 2) Asignación

cout<<"CALCULO DE TERMODINAMICA";

cout<<"Ingrese valor a F: "; cin>> F;

cout<<"Ingrese valor a I: "; cin>> I;

cout<<"Ingrese valor a Q: "; cin>> Q;

cout<<"Ingrese valor a n: "; cin>> n;

cout<<"Ingrese valor a c: "; cin>> c;

    // 3) Proceso

Q=n*c*(F-I);

    // 4) Resultado

    cout<<"La multiplicacion es: "; cout<<endl;

    

    system ("pause");

    return 0;

}

                                                      
                                        Ejercico 2

ALGORITMO

       1.- DECLARACIÓN

          T_B, T_{A,  n, Cp      Reales}    

       2.- ASIGNACIÓN 

           

            T_{B= 85°C}    T_{A=5°C    n=200kg    Cp= 5/2 R}

       

       3.- PROCESO

          

           Q=n.Cp(T_B-T_A.)

       4.- RESULTADO

             Q

        

                                      Diagrama de Flujo                                                       

Codificación C++

#include <iostream>
#include <math.h>
using namespace std;
int main()
{
    // 1)Declaración
    int Ta, Tb, Q, n, Cp;
    // 2) Asignación
cout<<"CALCULO DE GAS MONOATOMICO";
cout<<"Ingrese valor a Ta: "; cin>> Ta;
cout<<"Ingrese valor a Tb: "; cin>> Tb;
cout<<"Ingrese valor a Q: "; cin>> Q;
cout<<"Ingrese valor a n: "; cin>> n;
cout<<"Ingrese valor a Cp: "; cin>> Cp;
    // 3) Proceso
Q=n*Cp*(Ta-Tb);
    // 4) Resultado
    cout<<"El resultado es: "; cout<<endl;

    system ("pause");
    return 0;
}

                                           Ejercicio 3

ALGORITMO

1.- DECLARACIÓN

          Tc, Tk_{,  k      Reales}    

       2.- ASIGNACIÓN 

           

            T_{B= 37°C}    Tk= ?

       3.- PROCESO

          

           Tc/5=Tf-32/9=Tk-273/5

       4.- RESULTADO

             Tk

                                      Diagrama de Flujo                                                    

Codificación C++

#include <iostream>

#include <math.h>

using namespace std;

int main()

{

    // 1)Declaración

    int Tc, Tk, k;

    // 2) Asignación

cout<<"CALCULO DE TEMPERATURA";

cout<<"Ingrese valor a Tc: "; cin>> Tc;

cout<<"Ingrese valor a k: "; cin>> k;

    // 3) Proceso

Tk=Tc + k;

    // 4) Resultado

    cout<<"El resultado es: "; cout<<endl;

    

    system ("pause");

    return 0;

}