14.1: Introducción
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objetivos de aprendizaje
- Analizar la necesidad de excluir la energía transferida entre el sistema como calor del trabajo mecánico
Trabajo
En la termodinámica, el trabajo realizado por un sistema cerrado es la energía transferida a otro sistema que se mide por restricciones mecánicas en el sistema. El trabajo termodinámico abarca el trabajo mecánico (expansión de gas) además de muchos otros tipos de trabajo, como el eléctrico. Como tal, el trabajo termodinámico es una generalización del concepto de trabajo mecánico en mecánica. Excluye necesariamente la energía transferida entre sistemas como calor, que se modela claramente en la termodinámica. Para sistemas cerrados, los cambios de energía en un sistema que no sean como transferencia de trabajo son como calor.
Fig 1: Una expansión isobárica de un gas requiere transferencia de calor durante la expansión para mantener constante la presión. Dado que la presión es constante, el trabajo realizado es PΔV.
Calor y Trabajo
La transferencia de calor (a menudo representada por Q) y el trabajo (W) son los dos medios cotidianos de traer energía o sacarla de un sistema. Los procesos son bastante diferentes. La transferencia de calor, un proceso menos organizado, es impulsada por las diferencias de temperatura. El trabajo, un proceso bastante organizado (como en la expansión de gas), implica una fuerza macroscópica ejercida a través de la distancia. Sin embargo, el calor y el trabajo pueden producir resultados idénticos. Tanto el calor como el trabajo pueden provocar un aumento de temperatura.
La transferencia de calor a un sistema, como cuando el Sol calienta el aire en una llanta de bicicleta, puede aumentar su temperatura y, por lo tanto, puede funcionar en el sistema, como cuando el ciclista bombea aire a la llanta. Una vez que se ha producido el aumento de temperatura, es imposible saber si fue causado por transferencia de calor o por hacer el trabajo.
Esta incertidumbre es un punto importante. La transferencia de calor y el trabajo son energía en tránsito, ni se almacena como tal en un sistema. Sin embargo, ambos pueden cambiar la energía interna de un sistema. La energía interna es una forma de energía completamente diferente del calor o del trabajo.
Una revisión de la Ley Ceroth
La ley cero justifica el uso de la temperatura termodinámica, definida como la temperatura compartida de tres sistemas designados en equilibrio.
objetivos de aprendizaje
- Discutir cómo la Ley Ceroth de la Termodinámica justifica el uso de la temperatura termodinámica
Termodinámica y diagramas fotovoltaicos: Una breve introducción a las leyes cero y 1ª de la termodinámica, así como a los diagramas fotovoltaicos para estudiantes.
Termómetro: Un termómetro calibrado en grados Celsius
La Ley Cero de la Termodinámica establece: Si dos sistemas, A y B, están en equilibrio térmico entre sí, y B está en equilibrio térmico con un tercer sistema, C, entonces A también está en equilibrio térmico con C.
Esta ley se postuló en la década de 1930, después de que se hubieran desarrollado y nombrado las leyes primera y segunda de la termodinámica. Se le llama la ley “cero” porque viene lógicamente antes de las leyes primera y segunda (discutidas en Átomos sobre la 1ª y 2ª leyes).
Dos sistemas están en equilibrio térmico si pudieran transferir calor entre sí, pero no lo hacen. De hecho, los experimentos han demostrado que si dos sistemas, A y B, están en equilibrio térmico entre sí, y B está en equilibrio térmico con un tercer sistema C, entonces A también está en equilibrio térmico con C. la conclusión puede parecer obvia, porque los tres tienen la misma temperatura, pero la ley cero es básica para la termodinámica. La ley cero justifica el uso de la temperatura termodinámica: la “etiqueta” común que comparten los tres sistemas en la definición anterior se define como la temperatura de los sistemas.
Temperatura
Los termómetros realmente toman su propia temperatura, no la temperatura del objeto que están midiendo. Esto plantea la cuestión de cómo podemos estar seguros de que un termómetro mide la temperatura del objeto con el que está en contacto. La respuesta radica en el hecho de que dos sistemas cualesquiera colocados en contacto térmico (es decir, la transferencia de calor puede ocurrir entre ellos) alcanzarán la misma temperatura. Es decir, el calor fluirá del objeto más caliente al más frío hasta que alcancen exactamente la misma temperatura. Los objetos están entonces en equilibrio térmico, y no se producirán más cambios. Los sistemas interactúan y cambian porque sus temperaturas difieren, y los cambios se detienen una vez que sus temperaturas son las mismas. De esta manera, si se deja tiempo suficiente para que esta transferencia de calor avance su curso, la temperatura que registra un termómetro sí representa el sistema con el que logra el equilibrio térmico.
Puntos Clave
- El trabajo termodinámico es una generalización del concepto de trabajo mecánico en mecánica.
- Para sistemas cerrados, los cambios de energía en un sistema que no sean como transferencia de trabajo son como calor.
- El trabajo en termodinámica es un proceso bastante organizado (como en la expansión de gas), que implica una fuerza macroscópica ejercida a través de la distancia.
- La ley cero de la termodinámica establece que cuando los sistemas, A y B, están en equilibrio térmico entre sí, y B está en equilibrio térmico con un tercer sistema, C, entonces A también está en equilibrio térmico con C.
- Dos sistemas están en equilibrio térmico si pudieran transferir calor entre sí, pero no lo hacen.
- Si se permite el tiempo suficiente para que se produzca la transferencia de calor entre un termómetro y un sistema, la temperatura que registra el termómetro representa el sistema con el que logra el equilibrio térmico.
Términos Clave
- calor: energía transferida de un cuerpo a otro por interacciones térmicas
- termodinámica: una rama de la ciencia natural preocupada por el calor y su relación con la energía y el trabajo
- energía interna: La suma de toda la energía presente en el sistema, incluyendo la energía cinética y potencial; equivalentemente, la energía necesaria para crear un sistema, excluyendo la energía necesaria para desplazar su entorno.
- equilibrio térmico: Dos sistemas están en equilibrio térmico si pudieran transferir calor entre sí, pero no lo hacen.
- Temperatura termodinámica: Temperatura definida en términos de las leyes de la termodinámica más que de las propiedades de un material real: expresada en kelvin
LICENCIAS Y ATRIBUCIONES
CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE
- Curación y Revisión. Proporcionado por: Boundless.com. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA
- Trabajo (termodinámica). Proporcionado por: Wikipedia. Ubicado en: es.wikipedia.org/wiki/work_ (termodinámica). Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- Colegio OpenStax, Colegio de Física. 17 de septiembre de 2013. Proporcionado por: OpenStax CNX. Ubicado en: http://cnx.org/content/m42232/latest...n=col11406/1.7. Licencia: CC BY: Atribución
- Sin límites. Proporcionado por: Boundless Learning. Ubicado en: www.boundless.com//fisics/de... nternal-energia. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- calor. Proporcionado por: Wikipedia. Ubicado en: es.wikipedia.org/wiki/Heat. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- termodinámica. Proporcionado por: Wikipedia. Ubicado en: es.wikipedia.org/wiki/Termodinámica. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- Colegio OpenStax, La Primera Ley de la Termodinámica y Algunos Procesos Simples. 4 de febrero de 2013. Proporcionado por: OpenStax CNX. Ubicado en: http://cnx.org/content/m42233/latest/. Licencia: CC BY: Atribución
- Trabajo. Ubicado en: http://www.youtube.com/watch?v=q3svt4kUPdI. Licencia: Dominio público: Sin derechos de autor conocidos. Términos de la licencia: Licencia estándar de YouTube
- Colegio OpenStax, Temperatura. 17 de septiembre de 2013. Proporcionado por: OpenStax CNX. Ubicado en: http://cnx.org/content/m42214/latest/. Licencia: CC BY: Atribución
- Sin límites. Proporcionado por: Boundless Learning. Ubicado en: www.boundless.com//physics/de... equilibrio—2. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- temperatura termodinámica. Proporcionado por: Wikcionario. Ubicado en: es.wiktionary.org/wiki/thermo... ic_temperature. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- Colegio OpenStax, La Primera Ley de la Termodinámica y Algunos Procesos Simples. 4 de febrero de 2013. Proporcionado por: OpenStax CNX. Ubicado en: http://cnx.org/content/m42233/latest/. Licencia: CC BY: Atribución
- Trabajo. Ubicado en: http://www.youtube.com/watch?v=q3svt4kUPdI. Licencia: Dominio público: Sin derechos de autor conocidos. Términos de la licencia: Licencia estándar de YouTube
- Celsius. Proporcionado por: Wikipedia. Ubicado en: es.wikipedia.org/wiki/Celsius. Licencia: CC BY: Atribución
- Termodinámica y Diagramas fotovoltaicos. Ubicado en: http://www.youtube.com/watch?v=aqQF_aX2naQ. Licencia: Dominio público: Sin derechos de autor conocidos. Términos de la licencia: Licencia estándar de YouTube