Mquina Trabajando Actividad #3

AL 125 08 534 2015

TERMODINMICA !1

Mquina trabajando

Introduccin. En qumica, nos interesa principalmente dos tipos de trabajo: el trabajo elctrico y el trabajo mecnico que realizan los gases en expansin. En esta actividad nos enfocaremos en el ltimo, conocido como trabajo presin- volumen, o P-V. Los gases que se expanden en el cilindro de un motor de automvil realizan un trabajo P-V sobre el pistn, este trabajo en algn momento hace girar las ruedas.

Los gases en expansin de una reaccin en un recipiente abierto, realizan una reaccin P-V sobre la atmsfera. En un sentido prctico, este trabajo no logra nada, pero debemos tomar en cuenta todo el trabajo, sea til o no, cuando demos seguimiento a los cambios de energa de un sistema.

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Desarrollo. Considerando el ejemplo del video en el aula virtual, tenemos que para que el barco pueda avanzar necesita de un movimiento mecnico, el cual es generado por un motor (en este caso accionado por vapor), el cual aprovecha una de las propiedades fsicas del agua que, al recibir energa en forma de calor, cambia de estado de agregacin convirtindose a gas. Considerando que el vapor generado para mover el motor sea a partir de agua pura en la que la densidad sea de 1g/cc y que un mol de algn gas ocupa un volumen de 22.4L y el agua en estado liquido ocupara un volumen de 0.018L. Tambin hay que considerar que en cualquier motor mecnico convencional, el volumen del conjunto pistn-cilindro es constante por lo que al ingresar energa en forma de calor al agua, esta se convierte en vapor ocasionando un aumento en la presin interna del recipiente lo que ocasiona un movimiento mecnico. Por lo tanto este se convierte en un sistema P-V.

Este principio fsico es aprovechado por los humanos para realizar trabajo en diferentes situaciones y circunstancias que van desde la elaboracin de mquinas para realizar trabajos pesados hasta mquinas con fines de esparcimiento.

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Consideremos un gas (vapor de agua) confinado en el conjunto pistn-cilindro mencionado anteriormente. La presin, P, sobre el gas es la fuerza por rea: P=F/A. Asumiendo (para fines prcticos) que el pistn tiene un peso insignificante, si el gas del cilindro se expande (agua liquida > vapor de agua), el pistn se mueve una distancia h.

De la ecuacin de arriba, la magnitud del trabajo realizado por el sistema es igual a la distancia recorrida por la fuerza que acta sobre el pistn:

Podemos re-acomodar la definicin de presin: P = F/A, como F = PA. Adems el cambio de volumen, V, que resulta del movimiento del pistn, que es el producto del rea transversal del pistn y la distancia que se mueve: V = A x h. Si sustituimos lo anterior en la ecuacin previa nos queda:

Como el sistema (el gas confinado) esta realizando un trabajo sobre el entorno, el trabajo es una cantidad negativa:

Ahora, si el trabajo P-V es el nico que puede realizarse, mediante una sustitucin de ecuaciones podemos obtener:

Cuando se lleva a cabo una reaccin en un recipiente de volumen constante (V = 0), el calor transferido es igual al cambio en la energa interna:

El subndice V, indica que el volumen es constante.

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La mayora de las reacciones se realizan bajo condiciones de presin constante, en este caso, la ecuacin se vuelve:

En resumen, el cambio de energa interna es igual al calor ganado o perdido a volumen constante; el cambio de la entalpa es igual al calor ganado o perdido a presin constante. La diferencia entre E y H es la cantidad de trabajo P-V realizado por el sistema, cuando el proceso ocurre a presin constante, -P V. El cambio de volumen que acompaa a muchas reacciones es cercano a cero, lo que hace que P V, y por lo tanto la diferencia entre E y H, sea pequeo. En general resulta satisfactorio utilizar H como la medida de los cambio de energa durante la mayora de los procesos qumicos.

Referencias. Qumica, la ciencia central, Decimoprimera edicin, Lemay & Brown. PD - Termodinmica - UnADM.

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