Leyes de la termodinámica

Leyes de la 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.

Primera Ley de la Termodinamica

Esta ley se expresa como:                                             E_int = Q - W                               Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W)                             Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema.

Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.

Segunda Ley de la Termodinamica

La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley.

En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinamica, que tiene dos enunciados equivalentes:

Enunciado de Kelvin - Planck : Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.

Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.

Tercera Ley de la Termodinamica

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 seria una violación a la segunda ley de la termodinámica, puesto que esta expresa que en todamáquina térmica cíclica de calor, durante el proceso, siempre tienen lugar pérdidas de energía calorífica, afectando asi 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.

Temperatura

Temperatura

La 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. Sin embargo, aunque tengan una estrecha relación, no debemos confundir la temperatura con el calor.

Cuando dos cuerpos, que se encuentran a distinta temperatura, se ponen en contacto, se produce una transferencia de energía, en forma de calor, desde el cuerpo caliente al frío, esto ocurre hasta que las temperaturas de ambos cuerpos se igualan. En este sentido, la temperatura es un indicador de la dirección que toma la energía en su tránsito de unos cuerpos a otros

La medida
El instrumento utilizado habitualmente para medir la temperatura es el termómetro. Los termómetros de líquido encerrado en vidrio son los más populares; se basan en la propiedad que tiene el mercurio, y otras sustancias (alcohol coloreado, etc.), de dilatarse cuando aumenta la temperatura. El líquido se aloja en una burbuja -bulbo- conectada a un capilar (tubo muy fino). Cuando la temperatura aumenta, el líquido se expande por el capilar, así, pequeñas variaciones de su volumen resultan claramente visibles.

Escalas

  

Calor

Calor

El calor se puede definir como la energía de tránsito desde un objeto con alta temperatura a un objeto con menor temperatura. Un objeto no posee "calor"; el término apropiado para la energía microscópica de un objeto es energía interna. La energía interna puede aumentarse, transfiriéndole energía desde uno con mas alta temperatura (mas caliente) -es lo que propiamente llamamos calentamiento.

Calor y trabajo:

 la energía que tiene un objeto a alta temperatura, no es correcto el uso de la palabra calor para decir que el objeto "posee calor" - es mejor decir que el objeto posee energía interna, como resultado de su movimiento molecular. Es mejor reservar la palabra calor para describir el proceso de transferencia de energía, desde un objeto a alta temperatura hacia otro a mas baja temperatura. Seguramente podemos tomar un objeto con baja energía interna y elevarla a una energía interna mas alta por medio de su calentamiento. Pero tambien podemos aumentar su energía interna realizando trabajo sobre él, y como la energía interna de un objeto a alta temperatura reside en el movimiento aleatorio de sus moléculas, no podemos decir que mecanismo se usó para proporcionarle esa energía.

Elasticidad

 La elasticidad

La elasticidad, es una propiedad mecánica de los sistemas, decimos que un material es elástico cuando al aplicarle una fuerza, se deforma, y, al dejar de aplicar la fuerza, vuelve a su forma original.

Los materiales que al ser deformados y dejar de aplicar la fuerza, no vuelven a su forma original, se llaman inelásticos o plásticos. 

Son materiales elásticos, un resorte, una gomita elástica, la piel, los músculos, entre otros.

Materiales plásticos, son por ejemplo un chicle, plasticina, cemento...

Todos los materiales elásticos tienen un límite de elasticidad, lo cual significa que si aplicamos una fuerza mayor al límite de elasticidad, el material queda deformado o se rompe.

Las partículas se mantienen unidas por fuerzas de atracción entre ellas, las que hacen que al separarlas vuelvan a su lugar, pero si las separamos demasiado, éstas fuerzas no son suficientes para volver a unirlas. El límite elasticidad depende de cada material.

Trabajo y energía

Trabajo y energía

Concepto de trabajo

Se denomina trabajo infinitesimal, al producto escalar del vector fuerza por el vector desplazamiento.

 

Donde F_t es la componente de la fuerza a lo largo del desplazamiento, ds es el módulo del vector desplazamiento dr, y q  el ángulo que forma el vector fuerza con el vector desplazamiento.

El trabajo total a lo largo de la trayectoria entre los puntos A y B es la suma de todos los trabajos infinitesimales

Energía

La energía es una propiedad o atributo de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual éstos pueden transformarse modificando su situación o estado, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación.

Tipos de energía:

Energía cinética: Cuando una fuerza aumenta la velocidad de un cuerpo también se realiza trabajo, como ocurre por ejemplo en la aceleración de un avión por el empuje de sus reactores. Cuando una masa se desplaza con movimiento variado desarrolla energía cinética.

E_c = ½.m.v²

L = F.d

L = E_c

F.d = ½.m.v²

Energía potencial: Cuando se levanta un objeto desde el suelo hasta la superficie de una mesa, por ejemplo, se realiza trabajo al tener que vencer la fuerza de la gravedad, dirigida hacia abajo; la energía comunicada al cuerpo por este trabajo aumenta la energía potencial del objeto. Si se realiza trabajo para elevar un objeto a una altura superior, se almacena energía en forma de energía potencial gravitatoria.
Cuando un cuerpo varía su altura desarrolla energía potencial.

E_p = m.g.h

Energía calorífica:  es la manifestación de la energía en forma de calor. En todos los materiales los átomos que forman sus moléculas están en continuo movimiento ya sea trasladándose o vibrando. Este movimiento implica que los átomos tengan una determinada energía cinética a la que nosotros llamamos calor o energía calorífica.

La energía calorífica (o calórica) es que puede transmitirse de un cuerpo a otro por radiación, conducción o convección.

• La energía calorífica por radiación se transmite a través de ondas electromagnéticas. Es el modo con el que nos llega la energía calorífica proveniente del Sol.
• La transmisión de la energía calorífica por conducción se experimenta cuando un cuerpo caliente está en contacto físico con otro cuerpo más frío. La energía se transmite siempre del cuerpo caliente al cuerpo frío. 
• La transmisión de la energía calorífica por convección se produce cuando se trasladan las moléculas calientes de un lado a otro. Seria el caso del viento.

La energía se mide en Julios (J) según el sistema internacional, aunque cuando se trata de energía calorífica también se suelen utilizar las calorías (cal) que corresponde a la cantidad de energía que se necesita para elevar un grado centígrado un gramo de agua. Una caloría equivale a 4.18 julios. 

Energía térmica: se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. 

Energía eléctrica: Es causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores. Esta energía produce, fundamentalmente, 3 efectos: luminoso, térmico y magnético.

Energía radiante: Es la que poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioleta (UV), los rayos infrarrojo (IR), etc. La característica principal de esta energía es que se puede propagar en el vacío, sin necesidad de soporte material alguno.

Energía química: Es la que se produce en las reacciones químicas. Una pila o una batería poseen este tipo de energía.

Energía nuclear: Es la energía almacenada en el núcleo de los átomos y que se libera en las reacciones nucleares de fisión y de fusión

La fisión nuclear consiste en la fragmentación de un núcleo "pesado" (con muchos protones y neutrones) en otros dos núcleos de, aproximadamente, la misma masa, al mismo tiempo que se liberan varios neutrones. Los neutrones que se desprenden en la fisión pueden romper otros núcleos y desencadenar nuevas fisiones en las que se liberan otros neutrones que vuelven a repetir el proceso y así sucesivamente, este proceso se llama reacción en cadena

La fusión nuclear consiste en la unión de varios núcleos "ligeros" (con pocos protones y neutrones) para formar otro más "pesado" y estable, con gran desprendimiento de energía. Para que los núcleos ligeros se unan, hay que vencer las fuerzas de repulsión que hay entre ellos. Por eso, para iniciar este proceso hay que suministrar energía (estos procesos se suelen producir a temperaturas muy elevadas, de millones de ºC, como en las estrellas).

Movimiento en un plano

Movimiento en un plano

Es un movimiento cuya trayectoria se desarrolla a lo largo de una linea contenida en un plano.

SIMETRÍA CENTRAL: Se denomina simetría Central de centro un punto O del plano a la transformación que hace corresponder a cada punto A otro que designaremos por A’ tal que el punto, o sea el punto medio del segmento AA’  

GIRO: Se denomina giro de centro un punto O del plano y ángulo orientado j, al movimiento que transforma un punto A en otro A’ tal que OA = OA’  y el ángulo AOA’, con vértice en O es igual en amplitud y sentido al ángulo j.

TRASLACIÓN: Se denomina traslación definida por un vector dado v al movimiento que hace corresponder a cada punto A del plano otro punto A’ tal que el vector definido por A y A’ tiene los mismos módulo, dirección y sentido que el vector dado v.

Movimiento de proyectiles

Cuando un cuerpo, además de desplazarse verticalmente, se desplaza horizontalmente, se dice que tiene un movimiento de proyectil, también conocido como movimiento parabólico.

Un objeto que se lanza al espacio sin fuerza de propulsión propia recibe el nombre de proyectil.

En éste movimiento, se desprecia el efecto de la resistencia del aire; entonces, el único efecto que un proyectil sufre en su movimiento es su peso, lo que le produce una aceleración constante igual al valor de la gravedad.

Fórmulas

Movimiento en una dirección

Movimiento en una dirección

Es el movimiento de los cuerpos en línea recta, considerando en caso particular de los cuerpos cuando caen o cuando son lanzados hacia arriba.

Movimiento rectilíneo uniforme:

El MRU se caracteriza por:

•    Movimiento que se realiza en una sola dirección en el eje horizontal.
•  Velocidad constante; implica magnitud, sentido y dirección inalterables.
•  La magnitud de la velocidad recibe el nombre de rapidez. Este movimiento no presenta aceleración (aceleración = 0).

        Fórmulas:

           

Caída libre:

Se le llama caída libre al movimiento que se debe únicamente a la influencia de la gravedad.

• Todos los cuerpos con este tipo de movimiento tienen una aceleración dirigida hacia abajo cuyo valor depende del lugar en el que se encuentren. En la Tierra este valor es de aproximadamente 9,8 m/s², es decir que los cuerpos dejados en caída libre aumentan su velocidad (hacia abajo) en 9,8 m/s cada segundo.
•   En la caída libre no se tiene en cuenta la resistencia del aire.

Fórmulas:

Magnitudes

Magnitudes físicas

Las magnitudes, en física, son aquella propiedades que pueden ser medidas y que pueden expresar un resultado mediante un número y/o una unidad.

Magnitud fundamental	Unidad	Abreviatura
Longitud	metro	m
Masa	kilogramo	kg
Tiempo	segundo	s
Temperatura	kelvin	K
Intensidad de corriente	amperio	A
Intensidad luminosa	candela	cd
Cantidad de sustancia	mol	mol

Longitud

La longitud es una magnitud física que permite medir la distancia que existe entre dos puntos en el espacio. Su unidad es el metro (m).

Masa 

La masa es una magnitud física que permite establecer la cantidad de materia que habita en un cuerpo. Su unidad es el kilogramo (kg)

Tiempo

Es la magnitud física que mide la duración o separación de las cosas, estando estas sujetas a cambio. Su unidad son los segundos (s).

Temperatura

La temperatura es la magnitud física que mide y refleja el calor que hay en un cuerpo, un objeto o en el ambiente. Su unidad son los grados centígrados (ºC)

Intensidad de corriente

Es la cantidad o la medida de carga eléctrica que pasa, por unidad de tiempo, a través del hilo conductor. A partir de esto, podemos decir que es el valor de la intensidad instantánea. Su unidad es el amperio (A).

Intensidad luminosa

La intensidad luminosa es el concepto de la concentración de luz en una dirección específica, radiada por segundo.

1 candela = 1 lumen / estereorradián

Cantidad de sustancia

Cantidad de sustancia es una cantidad definida por las normas que mide el tamaño de un conjunto de entidades elementales, tales como átomos, moléculas, electrones y otras partículas. Se refiere a veces como la cantidad química. Su unidad son los moles (mol).

Algunas magnitudes derivadas y sus unidades:

Magnitud	Unidad	Abreviatura	Expresión SI
Superficie	metro cuadrado	m2	m2
Volumen	metro cúbico	m3	m3
Velocidad	metro por segundo	m/s	m/s
Fuerza	newton	N	Kg·m/s2
Energía, trabajo	julio	J	Kg·m2/s2
Densidad	kilogramo/metro cúbico	Kg/m3	Kg/m3