PROCESOS TERMODINÁMICOS

 Los procesos termodinámicos son cambios que experimenta un sistema termodinámico, donde se produce un movimiento de energía, ya sea dentro del sistema o entre el sistema y su entorno. Existen cuatro tipos principales de procesos termodinámicos:

• Isobáricos: a presión constante (P=cte.).
• Isocóricos: a volumen constante. (V=cte.).
• Isotérmicos: a temperatura constante (T=cte.).
• Adiabáticos: sin intercambio de calor(Q=0).

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• Estos procesos son fundamentales para entender cómo funcionan los sistemas térmicos y la energía en la termodinámica.

¿Qué son los procesos termodinámicos?

Los procesos termodinámicos son procesos en los que un sistema termodinámico bajo estudio sufre un cambio de estado. Durante este cambio de estado, ocurre un movimiento de energía bien sea dentro del sistema o entre el sistema y los alrededores. De hecho, esta es la razón por la que se denominan procesos termodinámicos, ya que termo– se refiere a calor (una forma de energía) y –dinámico se refiere a movimiento.

Por cambio de estado no se hace referencia necesariamente a pasar de sólido a líquido o de líquido a gas (aunque esos también son procesos termodinámicos), sino a un cambio en las funciones de estado, es decir, en las variables que definen el estado del sistema tal como la temperatura, el volumen y la presión. Procesos termodinámicos: qué son, tipos, ejemplos 

Lifeder. (28 de agosto de 2022). Procesos termodinámicos. Recuperado de: https://www.lifeder.com/procesos-termodinamicos/.

PROCESOS CÍCLICOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES.

En termodinámica, un proceso cíclico es aquel en el que un sistema regresa a su estado inicial, mientras que un proceso reversible es aquel que puede invertirse sin dejar rastro en el sistema ni en sus alrededores. Un proceso reversible es una idealización, mientras que los procesos reales son irreversibles. 

Proceso cíclico:

• Un proceso cíclico ocurre cuando un sistema pasa por una serie de cambios y eventualmente regresa a su estado inicial. 
• El sistema no necesariamente sigue el mismo camino en sentido inverso para regresar a su estado inicial, lo importante es que las propiedades finales sean iguales a las iniciales. 
• Ejemplos de procesos cíclicos son el ciclo de Carnot o cualquier proceso en un motor que regresa a su punto de partida. 

Proceso reversible:

• Un proceso reversible es un proceso idealizado en el cual el sistema y su entorno pueden regresar a sus estados originales después de que el proceso ha terminado. 
• Esto implica que no hay pérdidas de energía por fricción, transferencia de calor irreversible, ni ningún otro tipo de disipación. 
• En la práctica, los procesos reversibles son difíciles de lograr, pero sirven como modelos para analizar procesos reales y determinar la máxima eficiencia posible. 
• Ejemplos de procesos que se aproximan a la reversibilidad son la expansión o compresión isotérmica de un gas ideal en un sistema sin fricción. 

Proceso irreversible:

• Un proceso irreversible es aquel en el que el sistema y su entorno no pueden regresar a sus estados originales después de que el proceso ha terminado. 
• La irreversibilidad se debe a factores como la fricción, la transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita, o la expansión libre de un gas. 
• Todos los procesos reales son irreversibles en mayor o menor grado, ya que es imposible eliminar completamente las pérdidas de energía. 

Relación entre procesos cíclicos y reversibles:

• Un proceso cíclico puede ser reversible o irreversible. 
• Un proceso reversible es un tipo de proceso cíclico idealizado, pero no todos los procesos cíclicos son reversibles. 
• Un proceso reversible siempre regresa al estado inicial siguiendo el mismo camino, mientras que un proceso cíclico simplemente termina en el mismo estado inicial sin importar el camino. 

En resumen, un proceso cíclico es aquel que regresa a su estado inicial, mientras que un proceso reversible es aquel que puede invertirse sin dejar rastro. Los procesos reales son irreversibles, pero los procesos reversibles son importantes para el análisis termodinámico. 

 

Práctica.

🔹 1. Proceso Isotérmico (Temperatura constante)

Materiales:

• Jeringa grande (sin aguja)
• Termómetro
• Agua caliente (para mantener temperatura constante)
• Vasito o recipiente
• Silicón en frio
• Marco de pesas

Procedimiento:

1. Llena la jeringa con aire y sella la punta.
2. Coloca la jeringa en un recipiente con agua caliente.
3. Comprime lentamente el émbolo mientras observas que la temperatura se mantiene constante.
4. Registra el volumen y la presión (puedes usar una balanza para estimar fuerza).

Objetivo: Verificar que en un proceso isotérmico, el producto $P\cdot V$ permanece constante.

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🔹 2. Proceso Adiabático (Sin intercambio de calor)

Materiales:

• Jeringa grande
• Algodón o cinta para sellar
• Sensor de temperatura (opcional)
• Silicón en frio

Procedimiento:

1. Llena la jeringa con aire y sella la punta herméticamente.
2. Comprime rápidamente el émbolo.
3. Observa el calentamiento del aire (puedes sentirlo en la boquilla o usar un sensor).
4. Luego, deja que el émbolo se expanda rápidamente y siente el enfriamiento.

Objetivo: Mostrar que en procesos adiabáticos rápidos, la temperatura cambia debido al trabajo realizado.

 

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ENERGÍA INTERNA

 La energía interna es la energía total asociada al movimiento y las interacciones de las partículas en un sistema, y se manifiesta a través de cambios en el estado del sistema.

Definición

La energía interna (U) de un sistema se refiere a la energía total que posee debido al movimiento aleatorio y desordenado de sus partículas a nivel microscópico. Esta energía incluye tanto la energía cinética (debido al movimiento de las partículas) como la energía potencial (debido a las interacciones entre ellas). 

La energía interna de un objeto proviene del movimiento al azar que tienen los átomos y las moléculas que lo componen. Aun cuando el objeto se encuentre perfectamente en reposo, en su interior, a nivel microscópico, las partículas que lo componen se mueven continuamente sin descanso.

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TEMPERATURA Y CALOR

 

¿Qué es la temperatura?

La temperatura es una magnitud escalar que se define como la cantidad de energía cinética de las partículas de una masa gaseosa, líquida o sólida. Cuanto mayor es la velocidad de las partículas, mayor es la temperatura y viceversa.

La medición de la temperatura está relacionada con la noción de frío (menor temperatura) y de calor (mayor temperatura), que se puede percibir de manera instintiva. Además, la temperatura actúa como un valor de referencia para determinar el calor normal del cuerpo humano, información que sirve para estimar estados de salud. El calor también se utiliza para los procesos químicos, industriales y metalúrgicos.

Existen distintos tipos de escalas para medir la temperatura. Las más comunes son:

• La escala Celsius. También conocida como “escala centígrada”, es la más utilizada junto con la escala Fahrenheit. En esta escala, el punto de congelación del agua equivale a 0 °C (cero grados centígrados) y su punto de ebullición a 100 °C.
• La escala Fahrenheit. Es la medida utilizada en la mayoría de los países de habla inglesa. En esta escala, el punto de congelación del agua ocurre a los 32 °F (treinta y dos grados Fahrenheit) y su punto de ebullición a los 212 °F.
• La escala Kelvin. Es la medida que suele utilizarse en ciencia y establece el “cero absoluto” como punto cero, lo que supone que el objeto no desprende calor alguno y equivale a -273,15 °C (grados centígrados).
• La escala Rankine. Es la medida usada comúnmente en Estados Unidos para la medición de temperatura termodinámica y se define al medir los grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos o bajo cero.

¿Cómo se mide la temperatura?

La temperatura se mide mediante magnitudes termométricas, es decir, diferentes unidades que representan la temperatura a distintas escalas. Para eso se emplea un dispositivo llamado “termómetro” del que existen varios tipos dependiendo del fenómeno que se necesite medir, por ejemplo:

• Dilatación y contracción. Existen termómetros para medir los gases (termómetro de gas a presión constante), los líquidos (termómetro de mercurio) y los sólidos (termómetro de columna líquida o bimetálico), que son elementos que se expanden con temperaturas altas o se contraen con temperaturas bajas.
• Variación de resistencia eléctrica. Las resistencias eléctricas, es decir, los flujos de electrones que se mueven a través de un material conductor, varían según la temperatura que adquieren. Para su medición se emplean termómetros de resistencia eléctrica como los sensores (en base a una resistencia capaz de transformar la variación eléctrica en una variación de temperatura) y los termoeléctricos (que generan fuerza motriz).
• Termómetro de radiación térmica. Los fenómenos de radiación emitidos en el sector industrial pueden ser medidos mediante sensores de temperatura como los pirómetros infrarrojos (para medir temperaturas muy bajas de refrigeración) y los pirómetros ópticos (para medir altas temperaturas de hornos y metales de fusión).
• Potencial termoeléctrico. La unión de dos metales diferentes que se someten a temperaturas distintas entre sí, genera una fuerza electromotriz que se convierte en potencial eléctrico y que se mide en voltios.

Tipos de temperatura

Existen distintos tipos de temperatura y, por eso, se miden con diferentes herramientas, como por ejemplo:

• La temperatura ambiente. Es la temperatura que se puede registrar en los espacios en los que se desenvuelve el ser humano y para su medición se emplea un termómetro ambiental que emplea valores Celsius o Fahrenheit.
• La temperatura del cuerpo. Es la temperatura corporal. Se considera que 36 °C es un valor normal para el ser humano y si la temperatura supera los 37 °C (o 98°F), se considera que el individuo padece fiebre.

Otros tipos de medición de temperatura permiten calcular la sensación térmica, por ejemplo:

• La temperatura seca. Es la temperatura ambiente, sin tener en cuenta la radiación calorífica del ambiente y la humedad. Se mide con un termómetro de bulbo pintado de color blanco brillante para no absorber la radiación.
• La temperatura radiante. Es la temperatura de las superficies y paredes de un entorno cerrado y se mide a través de un termómetro de bulbo.
• La temperatura húmeda. Es la temperatura que mide un termómetro ubicado en la sombra, con su bulbo envuelto con algodón húmedo y ubicado bajo una corriente de aire. A través de este sistema, el agua del algodón se evapora y se absorbe el calor, lo que genera una disminución de la temperatura que capta el termómetro respecto a la temperatura del ambiente. Esto da como resultado una medida de la humedad del aire que se utiliza para medir la sensación térmica.

¿Qué es el calor?

El calor es una forma de energía que se transfiere de manera espontánea entre distintas zonas de un cuerpo o desde un cuerpo hacia otro.

En termodinámica, “calor” significa “transferencia de energía”. Esta transferencia siempre tiene una dirección definida por la diferencia de temperatura entre los cuerpos. El calor fluye del cuerpo más caliente al más frío, de manera de llegar a una temperatura de equilibrio.

El calor se puede transmitir de tres formas diferentes:

• Radiación térmica. El calor se propaga a través de ondas electromagnéticas. Todos los cuerpos emiten calor de esta forma, a menos que estén a una temperatura igual al cero absoluto, 0 Kelvin.
• Conducción térmica. El calor se transmite por la agitación de las moléculas, lo que provoca que la temperatura incremente, que los líquidos se evaporen, que los sólidos se fundan y que los cuerpos se dilaten.
• Convección térmica. El calor se transfiere por medio del movimiento de un fluido, como puede ser un gas y un líquido. Por ejemplo, al calentar agua en una cacerola, la porción que está en contacto con su base asciende al calentarse, mientras que el agua de la superficie desciende por los lados al enfriarse y ocupa el lugar que dejó la porción caliente.

• Unidades de calor

  Como el calor es transferencia de energía, puede ser medido como ganancia o pérdida de energía. Por eso, se lo puede medir con la misma unidad que a cualquier otro tipo de energía: el joule (que, además del calor, sirve para medir trabajo y energía).

  Para medir el calor, se usan dos unidades más:

• Caloría. Su abreviación es cal y representa la cantidad de energía que se necesita para incrementar 1 gramo de agua en 1° C.
• Kilocaloría. Se abrevia kcal y representa la energía que se precisa para elevar 1 kilogramo de agua en 1° C.

• Tipos de calor

• Se pueden identificar diferentes tipos de calor. Algunos de ellos son los siguientes:

  • Latente. Es la energía necesaria para modificar la fase de determinado volumen de una sustancia, es decir, su estado (sólido, líquido o gaseoso). En el cambio de estado de sólido a líquido, el calor latente se denomina de fusión. En el cambio de estado de líquido a gaseoso, el calor latente se llama calor de vaporización. Estas transiciones se dan sin cambios de temperatura.
  • Sensible. Es el calor que genera una modificación en la temperatura del cuerpo que lo percibe pero que no interfiere en su estructura molecular ni produce cambios de fase.
  • Seco. Consiste en un método térmico de esterilización que genera en los microorganismos que conforman al cuerpo un efecto similar al horneado.
  • Específico molar. Se trata de la cantidad de calor necesaria para incrementar en un grado la temperatura de un mol de masa de un compuesto.
  • Específico. Se trata de la cantidad de calor necesaria para incrementar en un grado la temperatura de un gramo de masa de un compuesto.

  Ejemplos de calor

  Algunas situaciones cotidianas en las que el calor o el traspaso de energía se hace presente pueden ser las siguientes:

  • Al planchar la ropa. Luego de enchufar el electrodoméstico, eleva su temperatura, entra en contacto con la tela y ayuda a eliminar las arrugas.
  • Del té a la taza. Cuando se sirve té caliente en una taza, el agua le transmite su calor y la taza aumenta su temperatura (que las palmas de la mano suelen percibir).
  • Al servir la comida en un plato. Si el plato es de cerámica o de algún otro material conductor, la comida servida en él le conducirá el calor.
  • Arena en la playa. La temperatura que irradia el sol es absorbida por los granos de arena y ese calor se transporta, por ejemplo, a la planta de los pies.
  • Del agua al cubo de hielo. Cuando se le arroja un cubo de hielo a una jarra con agua, el agua le transfiere por conducción su calor, por lo cual el cubo comienza a derretirse.
  • Al derretirse chocolate en la mano. Cuando una persona sujeta durante un rato un pedazo de chocolate, comienza a derretirse a raíz de la transferencia del calor corporal.
  • Al hervir agua en una pava. El calor de la llama se conduce a la base de la pava, que luego se transfiere al agua y ésta llega al punto de ebullición.
  • Una lamparita de luz encendida. Cuando se enciende la lamparita, emite calor rápidamente.

• Diferencia entre calor y temperatura

• A pesar de que el calor y la temperatura son conceptos muy relacionados, no son lo mismo. Algunas diferencias son:

  • Su significado. El calor es energía térmica que se debe entender como transferencia de calor, que se da cuando entre dos cuerpos hay una diferencia de temperaturas. Esa transferencia siempre tiene una dirección y es del cuerpo con mayor temperatura al de menor temperatura. La temperatura, en cambio, es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas que componen la materia.
  • Su símbolo. El calor se representa con la letra Q y la temperatura con la letra T.
  • Su efecto. La transferencia de calor a un cuerpo aumenta su temperatura. La temperatura es la energía cinética media de las partículas de ese cuerpo, que aumenta si se le entrega calor.
  • Su transmisión. El calor se transmite de una sustancia a otra y puede propagarse por conducción, convección o radiación. Según el tipo de propagación del calor, será el nivel de temperatura alcanzado.
  • Su objeto para la medición. El calor se mide con un calorímetro y la temperatura se mide con un termómetro.
  • Su unidad de medida. El calor se mide en julios, calorías y kilocalorías. La temperatura se mide en grados Kelvin (k), Celsius (C) o Fahrenheit (F).
  Todo copias y pegado de:
• Calor - Concepto, unidades, tipos y ejemplos
• Temperatura - Qué es, escalas, cómo se mide y sus tipos

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