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Física Universitaria Volumen 2

3.4 Procesos termodinámicos

Física Universitaria Volumen 23.4 Procesos termodinámicos
  1. Prefacio
  2. Termodinámica
    1. 1 Temperatura y calor
      1. Introducción
      2. 1.1 Temperatura y equilibrio térmico
      3. 1.2 Termómetros y escalas de temperatura
      4. 1.3 Dilatación térmica
      5. 1.4 Transferencia de calor, calor específico y calorimetría
      6. 1.5 Cambios de fase
      7. 1.6 Mecanismos de transferencia de calor
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Teoría cinética de los gases
      1. Introducción
      2. 2.1 Modelo molecular de un gas ideal
      3. 2.2 Presión, temperatura y velocidad media cuadrática (rms)
      4. 2.3 Capacidad calorífica y equipartición de energía
      5. 2.4 Distribución de las velocidades moleculares
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 3 Primera ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 3.1 Sistemas termodinámicos
      3. 3.2 Trabajo, calor y energía interna
      4. 3.3 Primera ley de la termodinámica
      5. 3.4 Procesos termodinámicos
      6. 3.5 Capacidades térmicas de un gas ideal
      7. 3.6 Procesos adiabáticos para un gas ideal
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Segunda ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 4.1 Procesos reversibles e irreversibles
      3. 4.2 Máquinas térmicas
      4. 4.3 Refrigeradores y bombas de calor
      5. 4.4 Enunciados de la segunda ley de la termodinámica
      6. 4.5 El ciclo de Carnot
      7. 4.6 Entropía
      8. 4.7 Entropía a escala microscópica
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Electricidad y magnetismo
    1. 5 Cargas y campos eléctricos
      1. Introducción
      2. 5.1 Carga eléctrica
      3. 5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción
      4. 5.3 Ley de Coulomb
      5. 5.4 Campo eléctrico
      6. 5.5 Cálculo de los campos eléctricos de las distribuciones de carga
      7. 5.6 Líneas de campo eléctrico
      8. 5.7 Dipolos eléctricos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Ley de Gauss
      1. Introducción
      2. 6.1 Flujo eléctrico
      3. 6.2 Explicar la ley de Gauss
      4. 6.3 Aplicación de la ley de Gauss
      5. 6.4 Conductores en equilibrio electrostático
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 7 Potencial eléctrico
      1. Introducción
      2. 7.1 Energía potencial eléctrica
      3. 7.2 Potencial eléctrico y diferencia de potencial
      4. 7.3 Cálculo del potencial eléctrico
      5. 7.4 Determinación del campo a partir del potencial
      6. 7.5 Equipotential Surfaces and Conductors
      7. 7.6 Aplicaciones de la electrostática
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 8 Capacitancia
      1. Introducción
      2. 8.1 Condensadores y capacitancia
      3. 8.2 Condensadores en serie y en paralelo
      4. 8.3 Energía almacenada en un condensador
      5. 8.4 Condensador con dieléctrico
      6. 8.5 Modelo molecular de un dieléctrico
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    5. 9 Corriente y resistencia
      1. Introducción
      2. 9.1 Corriente eléctrica
      3. 9.2 Modelo de conducción en metales
      4. 9.3 Resistividad y resistencia
      5. 9.4 Ley de Ohm
      6. 9.5 Energía eléctrica y potencia
      7. 9.6 Superconductores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 10 Circuitos de corriente directa
      1. Introducción
      2. 10.1 Fuerza electromotriz
      3. 10.2 Resistores en serie y en paralelo
      4. 10.3 Reglas de Kirchhoff
      5. 10.4 Instrumentos de medición eléctrica
      6. 10.5 Circuitos RC
      7. 10.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 11 Fuerzas y campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 11.1 El magnetismo y sus descubrimientos históricos
      3. 11.2 Campos y líneas magnéticas
      4. 11.3 Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético
      5. 11.4 Fuerza magnética sobre un conductor portador de corriente
      6. 11.5 Fuerza y torque en un bucle de corriente
      7. 11.6 El efecto Hall
      8. 11.7 Aplicaciones de las fuerzas y campos magnéticos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    8. 12 Fuentes de campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 12.1 La ley de Biot-Savart
      3. 12.2 Campo magnético debido a un cable recto delgado
      4. 12.3 Fuerza magnética entre dos corrientes paralelas
      5. 12.4 Campo magnético de un bucle de corriente
      6. 12.5 Ley de Ampère
      7. 12.6 Solenoides y toroides
      8. 12.7 El magnetismo en la materia
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    9. 13 Inducción electromagnética
      1. Introducción
      2. 13.1 Ley de Faraday
      3. 13.2 Ley de Lenz
      4. 13.3 Fuerza electromotriz (emf) de movimiento
      5. 13.4 Campos eléctricos inducidos
      6. 13.5 Corrientes de Foucault
      7. 13.6 Generadores eléctricos y fuerza contraelectromotriz
      8. 13.7 Aplicaciones de la inducción electromagnética
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    10. 14 Inductancia
      1. Introducción
      2. 14.1 Inductancia mutua
      3. 14.2 Autoinducción e inductores
      4. 14.3 Energía en un campo magnético
      5. 14.4 Circuitos RL
      6. 14.5 Oscilaciones en un circuito LC
      7. 14.6 Circuitos RLC en serie
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    11. 15 Circuitos de corriente alterna
      1. Introducción
      2. 15.1 Fuentes de ac
      3. 15.2 Circuitos simples de ac
      4. 15.3 Circuitos en serie RLC con ac
      5. 15.4 Potencia en un circuito de ac
      6. 15.5 Resonancia en un circuito de ac
      7. 15.6 Transformadores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    12. 16 Ondas electromagnéticas
      1. Introducción
      2. 16.1 Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
      3. 16.2 Ondas electromagnéticas planas
      4. 16.3 Energía transportada por las ondas electromagnéticas
      5. 16.4 Momento y presión de radiación
      6. 16.5 El espectro electromagnético
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
  12. Índice

Objetivos De Aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Definir un proceso termodinámico.
  • Distinguir entre procesos cuasiestáticos y no cuasiestáticos.
  • Calcular cantidades físicas, como el calor transferido, el trabajo realizado y el cambio de energía interna para procesos termodinámicos isotérmicos, adiabáticos y cíclicos.

Al resolver problemas de mecánica aislamos el cuerpo en cuestión, analizamos las fuerzas externas que actúan sobre él y luego utilizamos las leyes de Newton para predecir su comportamiento. En termodinámica, adoptamos un enfoque similar. Empezamos por identificar la parte del universo que queremos estudiar; también se conoce como nuestro sistema (al principio de este capítulo definimos un sistema como cualquier cosa cuyas propiedades nos interesan; puede ser un solo átomo o la Tierra entera). Una vez seleccionado nuestro sistema, determinamos cómo el ambiente, o el entorno, interactúa con el sistema. Por último, una vez comprendida la interacción, estudiamos el comportamiento térmico del sistema con la ayuda de las leyes de la termodinámica.

El comportamiento térmico de un sistema se describe en términos de variables termodinámicas. Para un gas ideal, estas variables son presión, volumen, temperatura y número de moléculas o moles del gas. Los distintos tipos de sistemas suelen caracterizarse por conjuntos de variables diferentes. Por ejemplo, las variables termodinámicas de una banda elástica estirada son tensión, longitud, temperatura y masa.

El estado de un sistema puede cambiar como consecuencia de su interacción con el ambiente. El cambio en un sistema puede ser rápido o lento y grande o pequeño. La forma en que un estado de un sistema puede cambiar de un estado inicial a un estado final se llama proceso termodinámico. Para fines analíticos en termodinámica, es útil dividir los procesos en cuasiestáticos o no cuasiestáticos, como explicamos ahora.

Procesos cuasiestáticos y no cuasiestáticos

Un proceso cuasiestático se refiere a un proceso idealizado o imaginado en el que el cambio de estado se hace con una lentitud infinitesimal, de modo que en cada instante se puede suponer que el sistema está en equilibrio termodinámico consigo mismo y con el ambiente. Por ejemplo, imagine que calienta 1 kg de agua a partir de una temperatura de 20°C20°C a una de 21°C21°C a una presión constante de 1 atmósfera. Para calentar el agua muy lentamente podemos imaginar que colocamos el recipiente con agua en una gran bañera que se puede calentar lentamente, de forma que la temperatura de la bañera puede aumentar infinitesimalmente de 20°C20°C a 21°C21°C. Si ponemos 1 kg de agua a 20°C20°C directamente en una bañera a 21°C21°C, la temperatura del agua aumentará rápidamente hasta 21°C21°C de forma no cuasiestática.

Los procesos cuasiestáticos se hacen con la suficiente lentitud como para que el sistema permanezca en equilibrio termodinámico en cada instante, a pesar de que el sistema cambie con el tiempo. El equilibrio termodinámico del sistema es necesario para que el sistema tenga valores bien definidos de las propiedades macroscópicas como la temperatura y la presión del sistema en cada instante del proceso. Por lo tanto, los procesos cuasiestáticos se pueden mostrar como trayectorias bien definidas en el espacio de estados del sistema.

Dado que los procesos cuasiestáticos no se pueden hacer completamente para cualquier cambio finito del sistema, todos los procesos de la naturaleza son no cuasiestáticos. En la Figura 3.8 se muestran ejemplos de procesos cuasiestáticos y no cuasiestáticos. A pesar de que todos los cambios finitos deben ocurrir esencialmente no cuasiestáticos, en alguna etapa del cambio podemos imaginar la realización de infinitos procesos cuasiestáticos correspondientes a cada proceso cuasiestático. Dado que los procesos cuasiestáticos se pueden examinar analíticamente, en este libro estudiamos principalmente los procesos cuasiestáticos. Ya hemos visto que en un proceso cuasiestático el trabajo de un gas viene dado por pdV.

La figura es un trazado de presión, p, en el eje vertical como una función de volumen, V, en el eje horizontal. Dos presiones, p f mayor que p i, están marcadas en el eje vertical. En el eje horizontal se marcan dos volúmenes, V f mayor que V i. Se muestran dos puntos, A en V i, p i, y B en el V f, p i final, que están conectados por una línea recta horizontal con una flecha hacia la derecha desde A hasta B. La línea está identificada como proceso cuasiestático. Una línea discontinua sube desde A, se curva para alcanzar un máximo y vuelve a bajar hasta B. Esta línea discontinua está identificada como proceso no cuasiestático.
Figura 3.8 Procesos cuasiestáticos y no cuasiestáticos entre los estados A y B de un gas. En un proceso cuasiestático, la trayectoria del proceso entre A y B se puede dibujar en un diagrama de estados, ya que se conocen todos los estados por los que pasa el sistema. En un proceso no cuasiestático, no se conocen los estados entre A y B, por lo que no se puede trazar ninguna trayectoria. Puede seguir la línea discontinua como se muestra en la figura o tomar una trayectoria muy diferente.

Procesos isotérmicos

Un proceso isotérmico es un cambio de estado del sistema a una temperatura constante. Este proceso se consigue al mantener el sistema en equilibrio térmico con un gran baño de calor durante el proceso. Recordemos que un baño de calor es un sistema idealizado “infinitamente” grande cuya temperatura no cambia. En la práctica, la temperatura de un baño finito se controla al añadir o quitar una cantidad finita de energía, según el caso.

Como ilustración de un proceso isotérmico, considere un cilindro de gas con un pistón móvil sumergido en un gran tanque de agua cuya temperatura se mantiene constante. Como el pistón se mueve libremente, la presión en el interior PenPen se equilibra con la presión exterior PfueraPfuera por unas pesas en el pistón, como en la Figura 3.9.

La figura ilustra un gran recipiente aislado lleno de líquido. Este fluido está identificado como baño de calor de T constante. Dentro del baño de calor hay un recipiente más pequeño lleno de gas. El recipiente de gas más pequeño está tapado por un pistón que tiene pesas en la parte superior. El interior del recipiente más pequeño es el sistema. Una flecha de doble punta que atraviesa las paredes del recipiente más pequeño y que está identificada como “calor” indica que el calor puede fluir entre el baño y el sistema. Una flecha hacia arriba en el interior del sistema apunta a la parte inferior del pistón y está identificada como p en. Una flecha hacia abajo fuera del sistema apunta a la parte superior del pistón y está identificada como p fuera. Una segunda flecha hacia abajo señala la parte superior del pistón, donde se apilan las pesas.
Figura 3.9 Expansión de un sistema a temperatura constante. La eliminación de las pesas en el pistón provoca un desequilibrio de fuerzas, lo que hace que se mueva hacia arriba. Cuando el pistón se mueve hacia arriba, la temperatura se reduce momentáneamente, lo que hace que el calor fluya desde el baño de calor hacia el sistema. La energía para mover el pistón proviene finalmente del baño de calor.

A medida que se eliminan las pesas en el pistón, se produce un desequilibrio de fuerzas en el pistón. La fuerza neta distinta a cero sobre el pistón haría que este se acelerara, lo que provocaría un aumento de volumen. La expansión del gas lo enfría a una temperatura más baja, lo que hace posible que el calor entre desde el baño de calor al sistema hasta que la temperatura del gas se restablezca a la temperatura del baño de calor. Si las pesas se eliminan en pasos infinitesimales, la presión en el sistema disminuye infinitesimalmente. De este modo, se puede llevar a cabo un proceso isotérmico de forma cuasiestática. Una línea isotérmica en un diagrama(p, V) está representada por una línea curva desde el punto de partida A hasta el punto de llegada B, como se ve en la Figura 3.10. Para un gas ideal, un proceso isotérmico es hiperbólico, ya que para un gas ideal a temperatura constante, p1Vp1V.

La figura es un trazado de presión, p, en el eje vertical como una función de volumen, V, en el eje horizontal. Dos presiones, p f mayor que p i, están marcadas en el eje vertical. En el eje horizontal se marcan dos volúmenes, V f mayor que V i. Se muestran dos puntos, A en V i, p f, y B en el V f, p i final, que están conectados por una curva que es monotónicamente decreciente y cóncava. Una flecha indica que la dirección de la curva es de A hacia B.
Figura 3.10 Una expansión isotérmica de un estado identificado como A a otro estado identificado como B en un diagrama pV. La curva representa la relación entre presión y volumen en un gas ideal a temperatura constante.

Un proceso isotérmico estudiado en este capítulo se realiza de forma cuasiestática, ya que para que sea isotérmico a lo largo del cambio de volumen, se debe poder indicar la temperatura del sistema en cada paso, lo cual es posible solo si el sistema está en equilibrio térmico de forma continua. El sistema debe salir del equilibrio para que el estado cambie, pero para los procesos cuasiestáticos, imaginamos que el proceso se realiza en pasos infinitesimales, de manera que estas salidas del equilibrio pueden ser tan breves y pequeñas como queramos.

Otros procesos cuasiestáticos de interés para los gases son los procesos isobáricos e isocóricos. Un proceso isobárico es un proceso en el que la presión del sistema no cambia, mientras que un proceso isocórico es un proceso en el que el volumen del sistema no cambia.

Procesos adiabáticos

En un proceso adiabático el sistema está aislado de su ambiente de modo que, aunque el estado del sistema cambia, no se permite que el calor entre o salga del sistema, como se ve en la Figura 3.11. Un proceso adiabático se puede llevar a cabo de forma cuasiestática o no cuasiestática. Cuando un sistema se expande adiabáticamente, debe realizar un trabajo contra el mundo exterior y, por tanto, su energía disminuye, lo que se refleja en el descenso de la temperatura del sistema. Una expansión adiabática conduce a una disminución de temperatura, y una compresión adiabática conduce a un aumento de temperatura. Volvemos a hablar de la expansión adiabática en la sección Procesos adiabáticos para un gas ideal.

La figura es una ilustración de un recipiente cerrado por un pistón. El recipiente tiene doble pared y fondo, y el espacio se rellena con aislamiento. La región del interior del recipiente, por debajo del pistón, está identificada como sistema. Una flecha hacia arriba indica que el pistón se mueve hacia arriba.
Figura 3.11 Se libera un pistón aislado con un gas caliente y comprimido. El pistón se mueve hacia arriba, el volumen se expande y la presión y la temperatura disminuyen. La energía interna va al trabajo. Si la expansión se produce en un tiempo en el que el calor puede entrar en el sistema de forma insignificante, el proceso se denomina adiabático. Idealmente, durante un proceso adiabático no entra ni sale calor del sistema.

Procesos cíclicos

Decimos que un sistema pasa por un proceso cíclico si el estado del sistema al final es el mismo que el estado al principio. Por lo tanto, las propiedades de estado como temperatura, presión, volumen y energía interna del sistema no cambian a lo largo de un ciclo completo:

ΔEint=0.ΔEint=0.

Cuando se aplica la primera ley de la termodinámica a un proceso cíclico, se obtiene una relación sencilla entre el calor que entra en el sistema y el trabajo realizado por este a lo largo del ciclo:

Q=W(proceso cíclico).Q=W(proceso cíclico).

Los procesos termodinámicos también se distinguen por ser o no reversibles. Un proceso reversible es aquel que se puede hacer para retroceder en la trayectoria mediante cambios diferenciales en el ambiente. Por lo tanto, este proceso debe ser también cuasiestático. Sin embargo, hay que tener en cuenta que un proceso cuasiestático no es necesariamente reversible, ya que pueden intervenir fuerzas disipativas. Por ejemplo, si se produjera una fricción entre el pistón y las paredes del cilindro que contiene el gas, la energía perdida por la fricción nos impediría reproducir los estados originales del sistema.

Consideramos varios procesos termodinámicos:

  1. Un proceso isotérmico, durante el cual la temperatura del sistema permanece constante.
  2. Un proceso adiabático, durante el cual no se transfiere calor hacia ni desde el sistema.
  3. Un proceso isobárico, durante el cual la presión del sistema no cambia.
  4. Un proceso isocórico, durante el cual el volumen del sistema no cambia

También se producen muchos otros procesos que no encajan en ninguna de estas cuatro categorías.

Interactivo

Vea este sitio para configurar su propio proceso en un diagrama pV. Compruebe si puede calcular los valores predichos por la simulación para calor, trabajo y cambio de energía interna.

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