Tema 10

Tema 10. Primera Ley de la termodinámica
Una de las aplicaciones más importantes en termodinámica es convertir el calor en trabajo mecánico






Imagen obtenida de (http://www.quimitube.com/videos/termodinamica/.../).
Solo para fines educativos
La expansión del gas, provoca que las moléculas de este empujen hacia afuera con una fuerza promedio F, por lo que el trabajo es positivo y sedetermina por la ecuación:
W = F(ΔX), en donde ΔX es el desplazamiento del pistón
En el caso de que la fuerza sea variable y además producida por la presión P del gas sobre una determinada área A, la ecuación del trabajo en termodinámica queda definido como:


En donde  dV  es el diferencial de volumen, asociado al cambio de volumen del gas desde un volumen inicial  VO  hasta un volumen final  Vf.
Un casoparticular se presenta cuando la presión permanece constante por lo que el trabajo se calcula como:

En el caso en que el volumen permanece constante W=0
Se conocen como las variables de estado de un gas o una sustancia a su volumen, temperatura y presión.
Por ejemplo, si un tanque de oxígeno se calienta, la presión aumenta en consecuencia se produce un trabajo mecánico.
La ecuación de los gasesideales que relaciona estas variables de estado es:

En donde P es la presión (Pascales), T la temperatura (Kelvin), V el volumen (m3), n es el número de moles del gas en cuestión, y R es la constante general de los gases ideales, el cual tiene un valor de:

En caso de que las unidades de presión y volumen sean atmósferas (Atm) y litros (L), el valor de esta constante es:

Dentro de los gasestambién se da un proceso de transferencia de energía térmica, en este caso el calor involucrado en el proceso cuando hay un cambio de temperatura se calcula por:

Que es una ecuación similar a la de calorimetría, pero en este caso, n es el número de moles y c es el calor específico molar del gas en cuestión, este calor específico se relaciona con la constante de los gases ideales, y para el caso de ungas monoatómico, se consideran las expresiones:

En las relaciones anteriores, CV   y  CP  se refiere al caso cuando el gas es sometido a un proceso de volumen constante y presión constante, respectivamente, y además es de tipo monoatómico.
10.2 Primera Ley de la Termodinámica
Dentro de los cilindros del motor de un automóvil se lleva a cabo una serie de procesos termodinámicos este es un ejemplode proceso termodinámico.
El calor total que entra a un sistema termodinámico se transforma en trabajo mecánico más un cambio en la energía interna del gas.
La ecuación de este principio es:

En donde Q es el calor transferido o extraído del gas, W es el trabajo mecánico realizado por los pistones, y ΔU es el cambio de la energía interna del gas.
10.3 Aplicaciones de la Primera Ley de laTermodinámica
Diagrama conocido como diagrama PV, indica la manera en cómo está variando la presión al cambiar el volumen del gas, contenido en el interior del cilindro sellado por el pistón. En el diagrama se muestran tres líneas que cierran lo que se conoce como un ciclo termodinámico, las líneas definen al tipo de proceso termodinámico que empiezan y terminan en cada uno de los puntos señalados, porejemplo, de a→b, es una línea vertical, observando que al aumentar la presión de un valor de 2000 Pa hasta 6000 Pa, el volumen permanece constante, este proceso es llamado isocórico o isovolumétrico , en el caso de la línea curva de b→c, se establece que la variación de presión (disminuyendo de 6000 hasta 2000 Pa) con respecto al volumen (aumentando de 3 m3  hasta  9 m3) se lleva a cabo atemperatura constante, llamándole a este proceso isotérmico, y finalmente se cierra el ciclo con una línea horizontal, en donde el volumen disminuye de 9 m3  hasta  3 m3 , en donde la presión se mantiene constante en 2000 Pa, este proceso es llamado isobárico.

En este ejemplo se considera que el tipo de gas contenido en el cilindro es monoatómico y en una cantidad de un mol, esto implica que n=1 y que...