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PROCESOS TERMODINÁMICOS M. en C. Nalleli Acosta M. en C. Nalleli Acosta Topete. Araceli de Jesús Topete. Araceli de Jesús Alcaraz Salcedo Alcaraz Salcedo

DIAGRAMA PROCESOS-TERMODINAMICOS

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Fisicoquimica

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  • PROCESOS TERMODINMICOSM. en C. Nalleli Acosta Topete. Araceli de Jess Alcaraz Salcedo

  • Principios termodinmicosTERMODINMICA: significa potencia trmica o potencia obtenida a partir del calor, debido a sus orgenes en el anlisis de las mquinas de vapor.

    Actualmente, la termodinmica estudia cmo un tipo de energa puede transformase en otro.

  • Presin: la presin de un fluido sobre una superficie se define como la fuerza normal ejercida por el fluido por unidad de rea de la superficie.

  • MagnitudUnidad SIFactor de ConversinPresinPascal (Pa)1kPa = 1000 Pa1 atm = 101.325 kPa1 bar = 1*105 Pa1 mmHg = 133.322 Pa1 torr = 133.322 Pa1 atm = 760 mmHg1 atm = 760 torr1 N/m2 = 9.869*10-6 atm

  • TEMPERATURAEl mtodo ms comn para medir la temperatura es con un termmetro ordinario donde un lquido se expande cuando es calentado. De esta forma, un tubo uniforme, parcialmente lleno de mercurio, alcohol, o algn otro fluido, puede indicar el grado de calentamiento simplemente por la altura de la columna de la columna de fluido.100 C

    0 C

    - 273 CCelsius373 K

    273 K

    0 K212 F

    32 F

    - 460 F672 R

    492 R

    0 RKelvinFahrenheitRankinePunto de ebullicinPunto de congelacinCero Absoluto

  • ContinuacinEscalas de temperatura:tC = temperatura en grados Centgrados.tF = temperatura en grados Fahrenheit.T(K) = temperatura en Kelvin.T(R) = temperatura en Rankine.

  • SISTEMA TERMODINMICOUn sistema termodinmico es un sistema que puede interactuar e intercambiar energa con su entorno, por lo menos de dos formas, una de las cuales es la transferencia de calor.

  • Estado de EquilibrioEn un sistema termodinmico, el equilibrio es aqul que se encuentra en condiciones tales que no presenta ninguna tendencia para que ocurra un cambio en su estado.

    Un sistema est en equilibrio cuando todas las fuerzas que actan en l estn exactamente balanceadas

  • Termodinmica del AguaEmpezando con las mquinas trmicas del 150 a. C., la bomba de achique de Savery de 1690, hasta las centrales nucleares actuales y las centrales de fusin del futuro, La mayor parte de la energa elctrica mundial se genera por turbinas de vapor de agua.

    Tambin se usa el vapor de agua como reactivo qumico en la industria metalrgica y petroqumica. Podra decirse que los desarrollos ms importantes han sido los de la Termodinmica del vapor.

  • Al encender el fuego se calentaba el aire bajo el altar, que empujaba el agua del depsito esfrico hacia el cubo cilndrico, que caa por su peso haciendo girar las bisagras de las puertas del templo.

  • Actualmente la termodinmica del agua puede servir, entre otras muchas cosas, para comprender mejor el desarrollo sostenible de este planeta y as poder actuar consecuentemente.

    Por una parte, tal vez el futuro de la industria energtica se base en la electroqumica del agua, en lugar de en los combustibles fsiles, perecederos, txicos, cancergenos y de efecto invernadero.

    Por otra parte, vista desde el espacio exterior, la Tierra aparece como un crculo cubierto a mitad de nubes blanquecinas (de agua), con la otra mitad de fondo de agua azulada, siendo difcil reconocer algn continente; es la interaccin trmica del agua y la radiacin lo que hace habitable este planeta.

  • El ciclo del agua o ciclo hidrolgico, es mantenido por la energa radiante del sol y por la fuerza de la gravedad.

    El ciclo hidrolgico comienza con la evaporacin del agua desde la superficie del ocano. A medida que se eleva, el aire humedecido se enfra y el vapor se transforma en agua: es la condensacin. Las gotas se juntan y forman una nube. Luego, caen por su propio peso: es la precipitacin. Si en la atmsfera hace mucho fro, el agua cae como nieve o granizo. Si es ms clida, caern gotas de lluvia.

    Una parte del agua que llega a la tierra ser aprovechada por los seres vivos; otra escurrir por el terreno hasta llegar a un ro, un lago o el ocano. A este fenmeno se le conoce como escorrenta. Otro poco del agua se filtrar a travs del suelo, formando capas de agua subterrnea. Este proceso es la percolacin. Ms tarde o ms temprano, toda esta agua volver nuevamente a la atmsfera, debido principalmente a la evaporacin.

  • Al evaporarse, el agua deja atrs todos los elementos que la contaminan la hacen no apta para beber (sales minerales, qumicos, desechos). Por eso el ciclo del agua nos entrega un elemento puro. Pero hay otro proceso que tambin purifica el agua, y es parte del ciclo: la transpiracin de las plantas.

    Las races de las plantas absorben el agua, la cual se desplaza hacia arriba a travs de los tallos o troncos, movilizando consigo a los elementos que necesita la planta para nutrirse. Al llegar a las hojas y flores, se evapora hacia el aire en forma de vapor de agua. Este fenmeno es la transpiracin.

  • Prctica:Elaboracin del Ciclo del Agua.Material: Frasco de vidrio con tapa LIMPIO Y AMPLIO.Piedras pequeas, arena y tierra.Una plantita con RAIZ.Recipiente pequeo (que quepa en el frasco junto con la planta).Agua.

  • Poner en el interior del frasco una capa de piedras.Sobre ella, colocar una capa de arena y, finalmente, una capa de tierra.Entierre cuidadosamente las plantas en un lado del frasco.En el otro, coloque el recipiente con agua. Procedimiento

  • Prctica: parte IIElaboracin del Ciclo del Agua.Material: Caja con plantas.Bandeja de metal Soporte para la bandeja.Trozos de hielo.Vaso de precipitado.Estufa.

  • ProcedimientoPonga sobre una mesa la caja que contiene las plantas.A 35 o 40 cm por encima de esta caja, coloque una bandeja de metal sostenida por un soporte.Sobre ella, ponga los trozos de hielo.Llene el vaso con agua y pngala a calentar.Cuando el agua est hirviendo, instlela de modo que el vapor emergente llegue a la parte inferior de la bandeja (mira el dibujo).Observe ahora qu sucede.

  • Proceso ReversibleOcurre cuando su sentido puede invertirse en cada punto mediante un cambio infinitesimal en las condiciones externas.L

  • Proceso IrreversibleOcurre cuando su sentido NO puede invertirse en cada punto mediante un cambio infinitesimal en las condiciones externas.

  • TransformacionesReversibles e Irreversibles

    Una transformacin es reversible si se realiza mediante una sucesin de estados de equilibrio del sistema con su entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino.

    Reversibilidad y equilibrio son, por tanto, equivalentes.

    Si una transformacin no cumple estas condiciones se llama irreversible.

    En la realidad, las transformaciones reversibles NO existen.

  • Sustancia PuraSon aquellas que tienen una composicin qumica homognea e invariable. Puede existir en mas de una fase, pero su composicin es la misma en todas ellas.La materia que tiene una composicinuniforme y constante se denomina sustancia pura. Estructura del aguaEstructura del NaCl

  • Propiedades deuna Sustancia PuraPropiedades fsicas: se puede observar o medir sin cambiar la composicin de la muestra.

  • Propiedades ColigativasPropiedades fsicas que dependen slo de la cantidad de partculas de soluto que estn presentes en la solucin y no de la naturaleza o tipo de soluto.

  • Descenso del Punto de Congelacin.Tf, es la diferencia de temperatura entre el punto de congelacin de la solucin y el punto de congelacin de su disolvente puro.

    Para soluciones no electrolticas el valor de la disminucin del punto de congelacin es directamente proporcional a la molalidad de la solucin.

    Tf = Kf m

    m = molalidad de la solucin.Tf = descenso del punto de congelacin: T - Tfdonde T es el punto de congelacin de la solucin y Tf es el punto de congelacin del solvente puro.Kf = es una constante de congelacin del solvente.

  • AplicacinEl lquido refrigerante de los motores de los automviles tiene una base de agua pura a presin atmosfrica se congelara a 0C dentro de las tuberas y no resultara til en lugares fros, por lo que se le agregan ciertas sustancias qumicas que hacen descender su punto de congelacin.

  • Constantes molales de ladisminucin del punto de congelacin

    DisolventePunto de congelacin (C)Kf (C/m)Agua0.01.86Benceno5.55.12Tetracloruro de Carbono-2329.8Etanol-114.11.99Cloroformo-63.54.68

  • Elevacin del Punto de EbullicinTb: es la diferencia de temperatura entre el punto de ebullicin de una solucin y el punto de ebullicin de un disolvente puro.

    Por ejemplo, el agua pura a presin atmosfrica hierve a 100, pero si se disuelve algo en ella el punto de ebullicin sube algunos grados centgrados.

    Tb = Kb mm = molalidad.Tb = aumento del punto de ebullicin = T - Tb, donde T es el punto de ebullicin de la solucin y Tb es el punto de ebullicin del solvente puro.Kb = es una constante de congelacin del solvente.

  • Constantes molales deelevacin del punto de ebullicin

    DisolventePunto de Ebullicin (C)Kb (C/m)Agua100.00.512Benceno80.12.53Tetracloruro de Carbono76.75.03Etanol78.51.22Cloroformo61.73.63

  • Reduccin de la Presin de VaporPresin de Vapor: es la ejercida por el vapor sobre un lquido.

    En un recipiente cerrado a temperatura y presin constante, las partculas de disolvente alcanzan un estado de equilibrio dinmico, escapando y regresando al estado lquido con la misma rapidez.

  • La presin de vapor de un disolvente puro (a) es mayor que la presin de vapor de una solucin que contiene un soluto no voltil (b).

    Al agregar un soluto no voltil a un disolvente, menos partculas del disolvente pasan a un estado gaseoso. Por lo tanto la presin de vapor disminuye.AguaSacarosa

  • smosis y Presin Osmtica.La smosis es la tendencia que tienen los solventes a ir desde zonas de menor concentracin hacia zonas de mayor concentracin de partculas a travs de membranas semipermeables.

    Considerando la separacin de sacarosa de una solucin en donde el disolvente fue agua. Durante la smosis, las molculas de agua se mueven en ambas direcciones a travs de la membrana, pero las molculas de azcar no pueden cruzarla. Unas y otras entran en contacto con la membrana por el lado de la solucin, pero nicamente las molculas de agua lo hacen por el lado del disolvente puro. Por lo tanto, ms molculas de agua cruzan la membrana desde el lado del disolvente puro que desde el lado de la solucin.

    Llegar un momento en que la presin que se alcanza en el lado de la solucin es tal, que causar que la cantidad de molculas de agua que salen a travs de la membrana del lado de la solucin, sea igual a la cantidad que entra.

  • La presin adicional (necesaria para invertir la smosis) ocasionada por las molculas de agua que se desplazan en la solucin es llamada PRESIN OSMTICA .

    = nRT / Ven donde:

    = presin osmtican = nmero de moles de partculas en la solucin.R = constante universal de los gases, donde R = 8.314472 J/K mol.T = temperatura en Kelvin.V = volumen de la solucin.

  • Diagrama PresinVolumenLos materiales se describen con cantidades fsicas como:

    Presin.Volumen.Temperatura.Cantidad de sustancia.

    Variables de Estado

  • El Volumen (V) de una sustancia normalmente est determinado por su presin (p), temperatura (T) y cantidad de sustancia, masa (m) o nmero de moles (n).

    En general, no se puede cambiar una de estas variables sin alterar otra.VGASP

  • Diagramas de FasesSe denomina diagrama de fase o diagrama de cambio de estado a la representacin grfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia, generalmente en funcin de la presin y la temperatura.

    Punto Crtico, Pc, indica el valor mximo (Pc, Tc) en el que pueden coexistir en equilibrio dos fases.

    Representa la temperatura mxima a la cual se puede licuar el gas simplemente aumentando la presin. Fluidos con T y P mayores que Tc y Pc se denominan fluidos supercrticos.

    Punto triple, Pt, indica los valores de P y T en los que coexisten tres fases, slido, lquido y gas.

    Este punto, que indica la temperatura mnima a la que el lquido puede existir, es caracterstico de cada sustancia, y puede emplearse como referencia para calibrar termmetros.

  • Diagrama Presin - VolumenIsoterma

  • Diagrama Presin - Temperatura

  • Gases IdealesLos gases ideales son gases hipotticos, idealizados del comportamiento de los gases reales en condiciones corrientes. As, los gases reales manifestaran un comportamiento muy parecido al ideal a altas temperaturas y bajas presiones. Debido a su estado idlico, tambin se les conoce como gases perfectos.

    Los gases ideales se encuentran en un estado homogneo, las partculas del gas asumen volmenes minsculos, tomando la forma y el volumen del recipiente que lo contenga.

    Sus molculas se encuentran muy separadas unas de otras, suponiendo que se suprimen las fuerzas y colisiones intermoleculares, por tanto el gas se puede comprimir o expandir con facilidad.

    Empricamente, se pueden observar una serie de relaciones entre la temperatura T, la presin P y el volumen V de los gases ideales.

  • La ley de los gases ideales se describe de acuerdo a la siguiente frmula:

    PV = nRT

    Donde:

    P = presin del gas.V = volumen que ocupa el gas.n = moles de gas en el recipiente.T = temperatura absoluta.R = constante de los gases ideales.

  • Ley Cero de la TermodinmicaA este principio se le llama "equilibrio trmico".

    Si dos sistemas A y B estn a la misma temperatura, y B est a la misma temperatura que un tercer sistema C, entonces A y C estn a la misma temperatura.

    Este concepto fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado hasta despus de haberse enunciado las otras tres leyes. De ah que recibe la posicin 0.

  • Transformacin a presin constante, Isobrica: ocurre cuando una masa de un gas se calienta manteniendo la presin constante.

    Transformacin a volumen constante, Isocrica: ocurre cuando una masa de un gas se calienta, manteniendo constante el volumen.

    Transformacin a temperatura constante, Isotrmica: ocurre cuando una masa de un gas se comprime o expande, manteniendo constante la temperatura.

    Transformacin Adiabtica: es aquella en la que no existe ninguna transferencia calorfica del sistema con el medio exterior.

  • CALOR: es la energa que se transmite de un cuerpo a otro, en virtud nicamente de una diferencia de temperatura.

    UNIDADES DE CALOR: Joules y caloras.

    1 cal = 4.18 J

  • Transferencia de CalorProceso por el que se intercambia energa en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que estn a distinta temperatura.

  • El calor se transfiere mediante conveccin, radiacin o conduccin.

    Estos tres procesos pueden tener lugar simultneamente, predominando uno de ellos.

  • Por ejemplo:

    El calor se transmite a travs de la pared de una casa fundamentalmente por conduccin.El agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por conveccin.La Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiacin.

  • Ejemplo de Transmisin de Calor.Placa solarEl calor llega desde el Sol hasta la placa metlica por radiacin. El metal de la placa emite radiacin en el infrarrojo. En el lquido se establecen corrientes convectivas que lo mezclan y uniformizan el calor.

    El agua caliente sube y la fra baja. El agua ms caliente sube al depsito superior y de la parte inferior de este depsito baja el agua ms fra que entra por la parte de abajo de la placa.

  • Trabajo Adiabtico.Ocurre cuando se realiza trabajo mecnico sobre un sistema que est envuelto en paredes adiabticas, es decir, sin que pueda emitir o adsorber calor durante el proceso.

  • CaractersticaEs el proceso de un sistema rodeado por una pared adiabtica.El trabajo suministrado puede ser potencial o disipativo. El carcter adiabtico determina el proceso. El trabajo se mide externamente.

  • La conexin adiabticaSlo se considera el proceso de cesin de trabajo al sistema.El proceso inverso dar lugar a otro principio de la termodinmica.

  • Primera Ley de la Termodinmica.La cantidad total de energa es constante aunque adopte diferentes presentaciones; cuando desaparece una forma de energa surge simultneamente con otra apariencia.

  • Cmo se relaciona el Primer Principio de la Termodinmica con los procesos ambientales?Ciclo energtico del ecosistema

  • Capacidad CalorficaLa capacidad calorfica (C) de una sustancia es la cantidad de energa necesaria para aumentar 1 C su temperatura.

    Indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia trmica.

  • Para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 C es necesario aportar una cantidad de calor igual a una calora. Por tanto, la capacidad calorfica de 1 g de agua es igual a 1 cal/K.

  • Calor EspecficoEl valor de la capacidad calorfica por unidad de masa se conoce como calor especfico.

  • CAPACIDAD CALORFICACALOR ESPECFICOCALOR ABSORBIDO POR UN CUERPO

  • Tabla de Calores Especficos

  • SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICALos procesos termodinmicos reales, tienen ciertas restricciones que describe la segunda ley de la termodinmica en los siguientes dos enunciados:

    Ningn aparato puede operar en forma tal que su nico efecto (en el sistema y los alrededores), sea la conversin completa del calor absorbido por el sistema en trabajo.

    Ningn proceso puede consistir nicamente en la transferencia de calor de un nivel de temperatura a otro superior.

  • Anlisis de la Segunda Ley

    El proceso no puede dejar sin cambio ni al sistema ni a los alrededores.

    Suponiendo la expansin de un gas, este no aumenta su volumen indefinidamente, sino que est limitado por los alrededores, por lo tanto la expansin cesa.

  • No existe una produccin continua de trabajo.

    Si el sistema regresa a su estado original, se necesita tomar energa en forma de trabajo de los alrededores para comprimir el gas hasta su presin inicial, y en un proceso isotrmico, se transfiere energa en forma de calor a los alrededores para mantener la temperatura constante.

    El proceso inverso consume diferente cantidad de trabajo, por lo que no hay produccin neta de trabajo.

  • Por lo tanto, el primer enunciado de la segunda ley se resume como:

    Es imposible, mediante un proceso cclico convertir completamente el calor absorbido por el sistema en trabajo.

  • Nota: La segunda ley no prohbe la produccin de trabajo a partir del calor, pero limita la fraccin de calor que puede convertirse en trabajo en un proceso cclico.

  • Mquinas del Movimiento PerpetuoEs una mquina hipottica que sera capaz de crear energa de la nada.

    Su existencia es totalmente imposible, segn las leyes de la fsica, ya que violara la primera y segunda leyes de la termodinmica.

  • Mvil Perpetuo de Primera EspecieLos mviles perpetuos de primera especie violan la primera ley de la termodinmica, que es la que afirma la conservacin de la energa, ya que producen ms energa de la que consumen, pudiendo funcionar eternamente una vez encendidos.

    Muchos de estos diseos utilizan imanes como fuente de energa libre, y asumen que no hay rozamiento.

    As, aunque estos inventos no puedan funcionar eternamente, son a veces capaces de funcionar por s mismos por largos perodos, siempre que no se les obligue a realizar ningn trabajo sobre su entorno.

  • Mvil Perpetuo de Segunda EspecieEs aquel que desarrolla un trabajo de forma cclica (indefinida) intercambiando calor slo con una fuente trmica.

    Tambin es llamado mvil de Planck, y es imposible de construir ya que viola la Segunda ley de la termodinmica.

  • Exposicin PrcticaEn equipo elige una de las mquinas del movimiento perpetuo que se presentan a continuacin investiga acerca de ella y realiza una presentacin de la misma

    Duracin de la presentacin 10 minutos.

    Valor: 15 puntos de los 70 de prcticas.

    Evaluacin:

    Contenido, Presentacin, Material de exposicin, Preparacin, Trabajo en Equipo y trabajo Escrito (2 5 Hojas)

  • Experimentos llevaran a un movimiento perpetuoEl demonio de Maxwell: se trata de violar la segunda ley, al separar dos gases mezclados, introduciendo un hipottico demonio que fuera moviendo las molculas de los gases hacia el lugar apropiado.El demonio de Maxwell separa las molculas de los gases A y B.

  • El trinquete de Brown de Richard Feynman: un "mvil perpetuo" que extrae trabajo a partir de fluctuaciones trmicas, aparentando funcionar eternamente, aunque realmente slo lo haga mientras el entorno est ms caliente que el trinquete.

    Mquina de Prometeo: tambin conocida como mquina cero, mquina N, mquina del futuro mquina de calor atmosfrico. Estructura combustible de Prometeo.

  • 4. Frasco de auto llenado de Roberto Boyle

  • 5. El relojero de Maguncia.

  • 6. Mvil perpetuo de Villard de Honnecourt Rueda de Villard de Honnecourt. 1235

  • 7. Cascada de Escher

  • 8. Diseo de Orffyreus de 1715.

  • 9. Robert Fludd. Uno de los molinos de Fludd.

  • 10. Rueda diseada por Leonardo da Vinci.

  • Mquinas TrmicasEs un mecanismo o mquina que produce trabajo a partir del calor en un proceso cclico.

    Son mquinas de fluido compresible.

    En los motores trmicos, la energa del fluido que atraviesa la mquina disminuye, obtenindose energa mecnica.

    En el caso de generadores trmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energa al atravesar la mquina.

  • Los motores trmicos, son mquinas que emplean la energa resultante de un proceso, generalmente de combustin, para incrementar la energa de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtencin de energa mecnica.

    Los ciclos termodinmicos empleados, exigen la utilizacin de una mquina o grupo generador que puede ser hidrulico (en los ciclos de turbina de vapor) o trmico (en los ciclos de turbina de gas), de modo que sin ste el grupo motor no puede funcionar, de ah que en la prctica se denomine Motor Trmico al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energa mecnica.

  • Ejemplos de Mquinas Trmicas

    Mquinas trmicas

    MotorasVolumtricasAlternativas (Mquina de vapor)Rotativas (Motor rotativo de aire caliente)TurbomquinasTurbinasGeneradorasVolumtricasAlternativas (Compresor de mbolo)Rotativas (Compresor rotativo)TurbomquinasTurbocompresores

  • El ciclo realizado en una mquina trmica consta de:

    De un proceso durante el cual se produce la absorcin del calor de un foco externo a temperatura elevada denominado foco caliente.

    De un proceso durante el cual el calor expulsado a un foco externo a temperatura ms baja denominado foco fro.

  • Mquinas FrigorficasEs un tipo de mquina trmica, cuyo propsito es el de mantener un recinto refrigerado mediante la transferencia de calor.

    La transferencia de calor se realiza mediante un fluido frigorfico, que en distintas partes de la mquina sufre transformaciones de presin, temperatura y fase (lquida o gaseosa); y que es puesto en contacto trmico con los recintos para absorber calor de unas zonas y transferirlo a otras.

    Debe contener como mnimo los cuatro siguientes elementos:

    Compresor: Es el elemento que suministra energa al sistema. El refrigerante llega en estado gaseoso al compresor y aumenta su presin.

    Condensador: El condensador es un intercambiador de calor, en el que se disipa el calor absorbido en el evaporador y la energa del compresor. En el condensador el refrigerante cambia de fase pasando de gas a lquido.

  • Vlvula de expansin: El refrigerante lquido entra en la vlvula de expansin donde reduce su presin. Al reducirse su presin se reduce bruscamente su temperatura.

    Evaporador: El refrigerante a baja temperatura y presin pasa por el evaporador, que al igual que el condensador es un intercambiador de calor, y absorbe el calor del recinto donde esta situado. El refrigerante lquido que entra al evaporador se transforma en gas al absorber el calor del recinto.

    En conclusin, el evaporador absorbe el calor del recinto que queremos enfriar, el compresor aumenta la presin del refrigerante para facilitar la condensacin posterior y posibilitar la circulacin del fluido. La vlvula de expansin reduce la presin provocando el enfriamiento del refrigerante.

  • Entropa, SLa palabra entropa procede del griego y significa evolucin o transformacin.

    Es la magnitud fsica que mide la parte de la energa que no puede utilizarse para producir trabajo.

    Se interpreta como la medida de la uniformidad de la energa de un sistema.

    El universo, tiende a distribuir la energa uniformemente, es decir, maximizar la entropa.

    La entropa describe lo irreversible de los sistemas termodinmica

  • La entropa puede interpretarse como una medida de la distribucin aleatoria de un sistema.

    Se dice que un sistema altamente distribuido al azar tiene una alta entropa.

    Puesto que un sistema en una condicin improbable tendr una tendencia natural a reorganizarse a una condicin ms probable (similar a una distribucin al azar), esta reorganizacin resultar en un aumento de la entropa.

    La entropa alcanzar un mximo cuando el sistema se acerque al equilibrio, alcanzndose la configuracin de mayor probabilidad.

  • La entropa delos procesos ambientalesSi queremos entender mnimamente algo de cmo es este universo en el que estamos, hemos de tener en mente ideas relativas a desorden, azar, organizacin...es decir, de entropa.

    La Segunda ley de la Termodinmica nos dice que la entropa, en cierto modo, el desorden del Universo debe aumentar, que todos los procesos que se den en l son irreversibles.

    El Universo se va a ir diluyendo en una especie de caldo homogneo y uniforme en el que las irregularidades, discontinuidades, agregados se van a ir diluyendo hasta llegar a un estado de mxima entropa, de mximo desorden.

  • Como la direccin del tiempo viene marcada por una evolucin desde un estado de menor a otro de mayor entropa.

    qu pasa hasta llegado el momento de mxima entropa?

    de qu forma a pesar de una tendencia de cualquier sistema aislado a evolucionar en el sentido de mximo desorden, aparecen los seres vivos, se crean estructuras cada vez ms organizadas, es decir, cada vez ms ordenadas?

  • Los seres vivos, slo alcanzamos el equilibrio cuando morimos.

    Los procesos que conforman lo que denominamos vida, son procesos fuera del equilibrio. Estamos vivos porque no estamos en equilibrio!.

  • Los sistemas intercambian materia y energa con sus alrededores y en los que en las relaciones que gobiernan su comportamiento, una pequea variacin en las causas no producen pequeas variaciones en los efectos, sino variaciones impredecibles e incluso de gran amplitud.

    En estos sistemas pueden aparecer puntos de crisis, en los que el sistema deja el estado constante y evoluciona hacia otro estado distinto que puede presentar una apariencia ms "organizada" que el estado de partida.

    Durante el proceso se ha abandonado la "produccin mnima de entropa", la produccin global de ella ha aumentado, pero lo que se observa es un comportamiento ordenado. As, el sistema evoluciona espontneamente!.

  • Ya no se puede asociar la direccionalidad del tiempo con el aumento del desorden, puesto que procesos espontneos generan estados cada vez ms organizados (por ejemplo, el crecimiento de un ser vivo).

    Jorge Luis Borges dijo, "cuando oigo decir que frente al problema de la naturaleza del tiempo se han hecho muchos avances en estos ltimos cien aos, no puedo dejar de pensar que esta respuesta es tan absurda como si respondisemos que frente al problema de la naturaleza del espacio, se dijese que se han hecho muchos avances en estos ltimos cien metros".

  • Ciclos TermodinmicosProceso que tiene lugar en dispositivos destinados a la obtencin de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta temperatura.

    Y de manera inversa, a producir el paso de calor de la fuente de menor temperatura a la fuente de mayor temperatura mediante la aportacin de trabajo.

  • Ciclo de CarnotEs un ciclo termodinmico ideal reversible entre dos fuentes de temperatura, en el cual el rendimiento es mximo.

    Una mquina trmica que realiza este ciclo se denomina mquina de Carnot. Trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior.

  • El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por:

  • Esquema de una mquina de Carnot.

    La mquina absorbe calor desde la fuente caliente T1 y cede calor a la fra T2 produciendo trabajo.

  • Etapas del ciclo de Carnot:Consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos y dos adiabticos:

    Expansin isotrmica: Se parte de una situacin en que el gas se encuentra al mnimo volumen del ciclo y a temperatura T1 de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T1 y mantiene su temperatura constante.

    Al tratarse de un gas ideal, y no cambiar la temperatura tampoco lo hace su energa interna, y despreciando los cambios en la energa potencial y la cintica, a partir de la 1 ley de la termodinmica vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo.

    La entropa, sta aumenta en este proceso:

  • Expansin adiabtica: A partir de aqu el sistema se asla trmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior.

    Esta expansin adiabtica hace que el gas se enfre hasta alcanzar exactamente la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen mximo. Al enfriarse disminuye su energa interna, con lo que:

  • Compresin isotrmica: Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor de temperatura T2 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fra.

    Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energa interna, y la cesin de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema:

  • Compresin adiabtica: Aislado trmicamente, el sistema evoluciona comprimindose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial.

    La energa interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema:

  • Diagrama PV del ciclo de Carnot

  • Diagrama del ciclo de Carnot en funcin de la temperatura y la entropa.

  • Ciclo de OttoEs el ciclo termodinmico ideal que se aplica en los motores de combustin interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. El ciclo consta de cuatro procesos:

    1-2: Compresin adiabtica.

    2-3: Ignicin: aporte de calor a volumen constante. La presin se eleva rpidamente antes de comenzar el tiempo til.

    3-4: Expansin adiabtica o parte del ciclo que entrega trabajo.

    4-1: Escape, cesin del calor residual al medio ambiente a volumen constante

  • Ciclo Otto en funcin de la presin y el volumen.

  • Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos.

    Este, junto con el motor diesel, es el ms utilizado en los automviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos.

  • MOTOR DE 2 TIEMPOSAdmisin - Compresin: Cuando el pistn alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior) empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando una diferencia de presin que aspira la mezcla de aire y gasolina por la lumbrera de admisin. Cuando el pistn tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido el pstn la comprime.

    Expansin - Escape de Gases: Una vez que el pistn ha alcanzado el PMS y la mezcla est comprimida, se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la buja, liberando energa y alcanzando altas presiones y temperaturas en el cilindro. El pistn se desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. Al estar a altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio.

  • El rendimiento de este motor es inferior respecto al motor de 4 tiempos, ya que tiene un rendimiento volumtrico menor y el escape de gases es menos eficaz.

    Tambin son ms contaminantes. Por otro lado, suelen dar ms potencia que uno de cuatro tiempos para el mismo nmero de cilindros, ya que este hace una explosin en cada revolucin, mientras el motor de 4 tiempos hace una explosin por cada 2 revoluciones, y cuenta con ms partes mviles.

    ste tipo de motores se utilizan mayoritariamente en motores de poco cilindraje, (motocicletas, cortacsped, motosierras, etc.), ya que es ms barato y sencillo de construir.

  • MOTOR DE 2 TIEMPOS

  • MOTOR DE 4 TIEMPOSDurante la primera fase el pistn se desplaza hasta el PMI y la vlvula de admisin permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro.

    Durante la segunda fase las vlvulas permanecen cerradas y el pistn se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistn llega al final de esta fase, la buja se activa y enciende la mezcla.

  • Durante la tercera fase se produce la combustin de la mezcla, liberando energa que provoca la expansin de los gases y el movimiento del pistn hacia el PMI. Se produce la transformacin de la energa qumica contenida en el combustible en energa mecnica trasmitida al pistn. El la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigeal, de donde se toma para su utilizacin.

    En la cuarta fase se abre la vlvula de escape y el pistn se mueve hacia el PMS, expulsando los gases producidos durante la combustin y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo.

  • Para mejorar el llenado del cilindro, tambin se utilizan sistemas de sobrealimentacin. una de las formas llegar a una sobre alimentacin bien "equilibrada" (ya que la mezcla de nafta y aire tiene que ser justa para una buena combustin) es poniendo un filtro de aire de admisin directa que hace que no haya excedentes de nafta en la cmara de compresin ya que los filtros convencionales frenan mucho el aire.