Termodinamica

IX.- Termodinámica y Transporte de Calor



Principios basicos de termodinamica

TERMODINAMICA, PRIMER PRINCIPIO

La Termodinamica estudia los intercambios energeticos entre sistemas o entre estos y el exterior, definiendo como sistema a la porcion del Universo que es objeto de estudio.

En particular, la Termodinamica trata de la transformacion de la energia calorifica en energiamecanica y viceversa. Quedo configurada en el siglo XIX.
Posteriormente, gracias a los estudios de mecanica estadistica se ha comprobado que la termodinamica clasica no es sino una interpretacion macroscopica de los fenomenos de transferencia de energia a nivel microscopico.

Calor, equivalente mecanico del calor hasta principios del sigo XIX se creia que los cuerpo poseian una sustancia especialllamada calorico responsable de los procesos termicos. La temperatura seria el nivel de calor que posee un cuerpo.
El primero que defendio que el calor no era una sustancia que poseian los cuerpos, sino una forma de energia fue Benjamin Thompson en 1798. Al observar la perforacion de un cañon tuvo la idea de que el calor era consecuencia del trabajo mecanico gastado en el proceso de perforacion.Durante el siglo XIX, se desarrollo esta idea considerando el fenomeno como una transformacion de un tipo de energia (mecanica) en otro tipo de energia (termica) de forma que la energia total se conservase.

El calor, pues, es una energia que puede medirse solamente por los efectos que
produce. Una cantidad de calor se define como la energia termica necesaria para producir algun cambiodeterminado (variacion de temperatura, cambio de estado) en una sustancia. De esta manera se define la unidad de calor.

Una caloria (cal.) es la cantidad de calor necesaria para elevar en un gradocentigrado (de 14.5 a 15.5) un gramo de agua.


Equivalencia entre energia y calor:
Si se admite que el calor es una forma de energia debe haber una relacion entre las unidades en que se miden elcalor y la energia mecanica.

La relacion cuantitativa entre dichas unidades fue establecida por Joule en 1843, quien
demostro experimentalmente que cada vez que una cantidad determinada de energia mecanica se convertia en calor se desarrollaba siempre la misma cantidad de este.
El experimento que hizo consistio en agitar agua mediante unas palas accionadas por poleas movidas por unos pesos, verfigura 4.1, midio la energia potencial perdida por las masas al caer y la comparo con el aumento de la temperatura del agua.
El resultado obtenido fue:

1 ~{ caloria} = 4,18~ J
1 ~J = 0.24 ~ {calorias}




Conceptos fundamentales en termodinamica

Daremos en este apartado algunas definiciones que se utilizaran posteriormente en el desarrollo de la termodinamicaSistema Termodinamico:
Es la porcion del universo fisico objeto del estudio termodinamico.
Al resto del universo que no pertenece al sistema termodinamico lo llamaremos medio exterior. Los sistemas termodinamicos se llaman { abiertos}, en el caso en que a traves de la superficie que los limita hay perdidas o transferencia e intercambio de energia y de materia. Se llaman
{cerrados}cuando no hay perdidas de materia al medio exterior, la transferencia solo puede ser de energia, en forma de calor o de trabajo.

Se dice que un sistema esta aislado cuando no haya ninguna interaccion entre el y el medio exterior.
Un sistema cerrado tiene numero de particulas constantes ya que no intercambia masa con el exterior.
Un sistema Aislado no interacciona con el exterior, no existeintercambio termico ni de masa.

Ejemplo. La Tierra, separada de la atmosfera es un sistema abierto, pero la Tierra y la atmosfera, consideradas globalmente, constituyen un sistema cerrado.

Estado de un sistema. Variables de estado. Ecuacion de estado.

Denominaremos estado de un sistema a los valores tomados por cada una de las
propiedades de este sistema. Por ejemplo: consideremos que...