Termodinamica

INTRODUCCIÓN
La termodinámica es la parte de la física que trata de los fenómenos relacionados con la energía térmica y de las leyes que rigen su transformación en otro tipo de energía. La variación de energía térmica acumulada en un medio en un proceso de calentamiento o de enfriamiento se obtiene como el producto de la masa del medio, por su calor específico y por el salto térmico. Pero notoda la energía térmica almacenada en un medio es utilizable.
El desarrollo tecnológico ha sido el elemento básico que ha permitido al hombre utilizar nuevas fuentes de energía de manera cada vez más eficiente. Todos los procesos de aprovechamiento energético recurren en un momento al intercambio de energía térmica. La energía nuclear genera una energía cinética que se transforma en energíatérmica. La energía eólica es consecuencia de las variaciones térmicas en la atmósfera.
El objetivo que se persigue con el desarrollo de este trabajo es realizar un estudio sobre el intercambio de calor y trabajo que se realiza a través de la entropía la cual describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos; así como el ciclo de carnot y lo que establece la segunda ley de la termodinámica yecuación de los gases que nos permite determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos.

EL CICLO DE CARNOT
Según la segunda ley de la Termodinamica, ninguna maquina de calor puede tener eficienca de 100%. Pero ¿Qué tanta eficiencia puede tener una maquina, dados dos depositos de calor a temperaturas TC y TF? El ingeniero frances Sadi Carnot (1796-1832)contesto esta pregunta en 1824 inventando una maquina de calor idealizada hipotética que tiene la maxima eficiencia posible congruente con la segunda ley. El ciclo de esta maquina se denomina ciclo de Carnot.
Para explicar mejor este ciclo,debemos tener en cuenta que un proseso reversible es aquel en que, por medio de un cambio diferencial en el entorno, puede hacerse que regrese sobre sutrayectoria. La conversion de calor en trabajo es un proceso irevertible; el proposito de una maquina de calor es una reversion parcial de este proceso, la conversión de calor en trabajo con la maxima eficiencia posible. Para lograrlo entonces se debe evitar todos los procesos irreversibles.
El ciclo de Carnot consiste en dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos,todos reversibles.El proceso adiabático se define como uno en el que no entra ni sale color del sistema; Q = 0. Podemos evitar el flujo de calor ya sea rodeando el sistema con material térmicamente aislante o realizando el proceso con tal rapidez que no hay tiempo para un flujo de calor apreciable. Por la primera ley, para todo proceso adiabático tenemos

Un proceso isotérmico se efectúa a temperaturaconstante. Para ello, todo intercambio de calor con el entorno debe efectuarse con tal lentitud para que se mantenga el equilibrio térmico. En general, ninguna de las cantidades: ∆U, Q o W es cero en un proceso isotérmico.
La figura 1 muestra un ciclo de Carnot que emplea como sustancia de trabajo un gas ideal en un culindro con un piston, y consta de los siguiente paso:
1. El gas se expandeisotermicamente a temperatura TC, absorviendo calor QC (ab).
2. El gas se expande adiabáticamente hasta que sus temperatura baja a TF (bc).
3. El gas se comprime isotérmicamente a TF, expulsando calor |QF| (cd).
4. El gas se comprime adiáticamente hasta su estado inicial a tempertura TC (da).
Figura 1.Ciclo de Carnot para el gas ideal. Las lineas azul claro del diagrama pV son isotermas(curvas de temperatura constante); las lineas azul oscuro son adiabáticas (curvas con cero flojo de clor).

Podemos calcular la eficiencia térmica ℓ de una máquina de Carnot en el caso especial en que la sustancia de trabjo es el gas ideal. Para realizar este cálculo, primero obtendremos las relacion QF/QC de las cantidades de calor tranferidas en los dos procesos isotérmicos, y luego...