Termodinámica

Temperatura

Imagina que estás en un día soleado de verano, sintiendo el calor del sol en tu piel, y luego, de repente, entras a un cuarto con aire acondicionado. ¡Puf! Ahora sientes frío. Pero, ¿qué es exactamente eso que ha cambiado? En ambos casos, lo que ha variado es la temperatura, un concepto fascinante que mide cuán caliente o frío está algo. La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas en un objeto o ambiente. En palabras más sencillas, nos dice qué tan rápido se están moviendo las partículas. Cuanto más rápidas se mueven, más caliente está nuestro objeto o ambiente.

En la siguiente aplicación es posible evidenciar los dicho anterioremente, para ello ubica el cursor en el botón azul y muevelo hacia la derecha.

Actividad N°1

Aprendizajes:

• Comprender la correlacción entre la energía cinética promedio de un sistema y la temperatura.

Interactue con la animación anterior y resuelva los siguientes interrogantes:

1. ¿Qué sucede con la energía cinética promedio del sistema cuando aumenta la temperatura?
2. Mangüirry tiene un recipiente con agua congelada, ¿qué debe hacer para aumentar la energía cinética del sistema?
3. Manguüirry tiene una pipa de gas y nota que esta se está expandiendo debido a las colisiones de las partículas con el recipiente, ¿qué debe hacer para disminuir la energía cinética promedio del gas y evitar que la pipa explote?

Termómetro

¿Pero cómo podemos saber exactamente cuán caliente o frío está algo? Aquí es donde entra en escena nuestro héroe de esta historia: el termómetro. El termómetro es una herramienta inventada para medir la temperatura. La historia nos cuenta que los primeros termómetros aparecieron en el siglo XVI, pero fue en el siglo XVII cuando Galileo Galilei ideó un tipo temprano de termómetro, usando el principio de que el aire se expande con el calor.

Diseño Básico del Termoscopio de Galileo

El termoscopio típicamente consistía en un tubo de vidrio que contenía una esfera en uno de sus extremos y estaba abierto por el otro. La esfera y parte del tubo contenían aire, y el tubo se sumergía parcialmente en un líquido (como agua) en un recipiente.

Actividad N°2

Aprendizajes:

• Comprender el funcionamiento del termométro de Galileo.

1. Explique cómo podría simular el funcionamiento del termómetro de Galileo con un tubo de ensayo resistente al calor, un beaker, agua, un encendedor y un marcador. Tiene libertad para agregar los elementos que considere para crear el soporte.

---

Sin embargo, el termómetro tal como lo conocemos hoy comenzó a tomar forma en 1714, cuando Daniel Gabriel Fahrenheit desarrolló uno con mercurio, un metal que reaccionaba de manera predecible con los cambios de temperatura. Fahrenheit no solo inventó este dispositivo, sino que también creó una escala para medir la temperatura, marcando puntos fijos como el punto de congelación del agua (32 grados Fahrenheit) y el punto de ebullición (212 grados Fahrenheit).

Escalas de temperatura

La escala del termómetro es como el mapa de un tesoro. Nos guía, indicándonos cómo interpretar lo que el termómetro está diciendo. Además de la escala Fahrenheit, existen otras, como la Celsius (o centígrada) y la Kelvin. La escala Celsius fija el punto de congelación del agua a 0 grados y el punto de ebullición a 100 grados, una elección bastante intuitiva y utilizada en gran parte del mundo. La escala Kelvin, por otro lado, es la estrella en el estudio de la física, empezando en el cero absoluto, el punto teórico donde las partículas están completamente inmóviles, marcado a -273.15°C o 0 Kelvin.

De Celsius a Kelvin

De Celsius a Fharenheit

Actividad N°3

Aprendizajes:

• Afianzar lo aprendido hasta este punto.

---

¿Qués es la dilatación térmica

La dilatación térmica es el cambio en tamaño (ya sea longitud, área o volumen) de un cuerpo debido a un cambio en la temperatura. Este fenómeno puede parecer pequeño o incluso imperceptible en la vida cotidiana, pero juega un papel crucial en la ingeniería, la manufactura y la naturaleza. Hay tres tipos principales de dilatación térmica: lineal, superficial y volumétrica. Veamos cada uno de ellos.

Dilatación Lineal

La dilatación lineal se refiere al cambio en longitud de un objeto cuando este experimenta cambios en la temperatura. Es más fácil de observar en objetos largos y delgados como rieles de tren o puentes.

Ejemplo de la vida real: En verano, los rieles del tren se expanden debido al calor. Para evitar que se deformen o dañen, los ingenieros dejan espacios entre ellos, conocidos como "juntas de dilatación". Estos espacios permiten que los rieles se expandan sin causar problemas.

Ecuación de Dilatación Lineal: La ecuación para calcular este cambio de longitud es:

Donde:

• ΔL es el cambio en longitud,
• α es el coeficiente de dilatación lineal del material,
• L₀ es la longitud original,
• ΔT es el cambio de temperatura.

Actividad N°4

Aprendizajes:

• Comprender el comportamiento de la dilatación líneal en términos de α, ΔT .

1. Si la longitud inicial de un alambre es L₀ y tiene un coeficiente de dilatación térmica 'α', ¿cómo cambia el incremento en la longitud del alambre si el cambio de temperatura, inicialmente ΔT, se duplica a 2ΔT
2. Si la longitud inicial de un alambre es L₀ y tiene un coeficiente de dilatación térmica 'α', ¿cuánto es la longitud total del alambre si el cambio de temperatura ΔT se duplica a 2ΔT?
3. Mangüirry estudia un material desconocido y con los datos obtenidos realiza un diagrama cartesiano (ΔL vs ΔT), considerando que la grafica obtenida es una línea recta, ¿qué le recomendarías hacer para obtener αL₀ ?
4. Un riel de aluminio mide originalmente 500 metros de largo en un día frío de invierno cuando la temperatura es de -5°C. Durante un día caluroso de verano, la temperatura del riel aumenta a 35°C. Considerando que el coeficiente de dilatación lineal del aluminio es 23 x 10^-6/°C, calcula cuánto se expande el riel debido al aumento de la temperatura. R/ 0.46m

5. Mangüírry analiza la dilatación térmica de un alambre de oro mediante la siguiente grafica:

Considerando que el coeficiente de dilatación líneal del oro es 14 x 10^-6°C^-1, ¿cuánto mide la longitud inicial del alambre?

6. Un alambre de acero se está sometiendo a pruebas para observar su expansión térmica. La longitud del alambre se mide en diferentes intervalos de tiempo mientras se incrementa la temperatura de manera controlada en un laboratorio.

Considerando que el coeficiente de dilatación líneal del acero es 11.5 x 10^-6°C^-1, ¿cuánto mide la longitud inicial del alambre?

Dilatación superificial

La dilatación superficial se ocupa del cambio en el área de superficies planas, como placas o láminas de metal cuando estas experimentan un cambio en la temperatura.

Ejemplo de la vida real: Considera una mesa metálica bajo el sol. A medida que se calienta, su superficie se expande ligeramente. Aunque este cambio puede ser pequeño, es crucial considerarlo en el diseño de componentes de dispositivos electrónicos que se calientan durante su uso.

La importancia de considerar la dilatación superficial en el diseño de componentes electrónicos radica en la precisión y la eficiencia que se requiere para que estos dispositivos funcionen correctamente. Aunque los cambios debidos a la dilatación puedan parecer mínimos, pueden tener efectos significativos en el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos electrónicos por varias razones:

Conductividad Eléctrica: Los materiales se expanden al calentarse, lo que puede afectar la conductividad eléctrica de un componente. Un cambio en la distancia entre las partes de un circuito puede alterar la resistencia eléctrica, lo que a su vez afecta el flujo de corriente.

Integridad Estructural: Los dispositivos electrónicos a menudo contienen una variedad de materiales que pueden tener diferentes coeficientes de dilatación. Esto puede causar tensiones internas cuando se calientan, ya que diferentes partes del dispositivo pueden expandirse a diferentes tasas. Tal estrés puede provocar deformaciones o incluso fallas estructurales.

Conexiones y Ajuste de Componentes: Las conexiones precisas son cruciales para el funcionamiento de los dispositivos electrónicos. La dilatación puede afectar cómo encajan y funcionan juntos los componentes, especialmente en dispositivos de alta densidad donde el espacio es limitado. Esto es crítico para asegurar que las conexiones permanezcan intactas y funcionales a lo largo del tiempo.

Disipación de Calor: Los dispositivos electrónicos generan calor durante su operación, y su diseño debe permitir una eficaz disipación del mismo para evitar el sobrecalentamiento. La dilatación puede influir en cómo los componentes interactúan con los disipadores de calor y otros sistemas de gestión térmica, afectando la capacidad del dispositivo para mantenerse dentro de rangos de temperatura seguros.

Longevidad y Fiabilidad: Al considerar la dilatación térmica en el diseño, los fabricantes pueden aumentar la durabilidad y la vida útil de los dispositivos electrónicos. Esto reduce la probabilidad de fallas prematuras, lo que es especialmente importante en aplicaciones críticas como dispositivos médicos, sistemas de seguridad y equipos de telecomunicaciones.

Ecuación de dilatación superficial: La fórmula para la dilatación superficial es:

Donde:

• ΔA es el cambio en el área,
• ζ es el coeficiente de dilatación superficial del material,
• A₀ es el área original,
• ΔT es el cambio de temperatura.

Actividad N°5

Aprendizajes:

• Comprender el comportamiento de la dilatación superficial en términos de α, ΔT .

1. Si el área inicial de una lámina es A₀ y tiene un coeficiente de dilatación térmica 'ζ', ¿cómo cambia el área de la lámina si el cambio de temperatura inicialmente ΔT, se duplica a 2ΔT
2. Si el área inicial de una lámina es A₀ y tiene un coeficiente de dilatación térmica 'ζ', ¿cuánto es el área total de la lámina si el cambio de temperatura ΔT se duplica a 2ΔT?
3. Mangüirry estudia un material desconocido y con los datos obtenidos realiza un diagrama cartesiano (ΔA vs ΔT), considerando que la grafica obtenida es una línea recta, ¿qué le recomendarías hacer para obtener ζA₀ ?

4. Un equipo de investigadores está estudiando la dilatación superficial de una lámina delgada de plata debido a cambios en la temperatura. Para ello, han colocado la lámina en un horno cuya temperatura se incrementa de manera controlada y uniforme a lo largo del tiempo. El área de la lámina se mide a intervalos regulares para observar cómo se expande con el incremento de la temperatura.

Considerando que el coeficiente de dilatación superficial de la plata es 36.5 x 10^-8°C^-1, ¿cuánto mide el área inicial de la lámina?

Dilatación volumétrica

La dilatación volumétrica describe cómo cambia el volumen de un objeto con la temperatura, y es crucial para líquidos y gases.

Ejemplo de la vida real: Un globo de aire caliente. A medida que el aire dentro del globo se calienta, se expande, aumentando el volumen del globo y haciéndolo ascender.

Ecuación de Dilatación volumétrica: La ecuación para calcular este cambio en volumen es:

Donde:

• ΔV es el cambio en el volumen,
• α es el coeficiente de dilatación volumétrica del material,
• V₀ es el volumen original,
• ΔT es el cambio de temperatura.

Leyes de los Gases

Los gases, esas colecciones de partículas que se mueven libre y rápidamente, ocupando cualquier espacio disponible, siguen reglas específicas que describen cómo reaccionan bajo diferentes condiciones. Estas reglas se conocen como las leyes de los gases, y son fundamentales para entender desde cómo funciona un globo hasta la atmósfera que rodea nuestro planeta.

Actividad N°6

Aprendizajes:

• Comprender la correlación entre el volumen y la presión de un gas confinado en un recipiente hermético y a temperatura constante.

1. Observa la siguiente aplicación y haz clic en "ideal".

Simulación de PhET Interactive Simulations, Universidad de Colorado Boulder, con licencia CC-BY-4.0 ( https://phet.colorado.edu ).

2. Ubique el cursor sobre el mango de la bomba para inflar llantas de bicicleta y bombea aire hacia el recipiente hasta donde consideres pertinente, y luego escribe en el cuaderno la presión registrada en el manómetro que se encuentra en la parte superior derecha.
3. Ubíquese en el panel de control y selecciona "Ancho" para conocer una de las dimensiones del recipiente.
4. Considerando que el recipiente es un cubo, calcule el volumen de este y etiquétalo como V₁ y la presión antes registrada como P₁.
5. Ubique el cursor sobre el manillar que se encuentra en la parte lateral izquierda, reduce el ancho a la mitad, registra nuevamente el valor de la presión y calcula el volumen del recipiente.
6. Al revisar los datos obtenidos de presión y volumen, ¿qué se puede apreciar entre el comportamiento de las dos magnitudes?
7. ¿Cuál es la operación que debe aplicarse entre la presión y el volumen para determinar la existencia de una constante de proporcionalidad?
8. Bajo las condiciones dadas, ¿cuál es la conclusión que puede obtenerse?

Ley de Boyle: El Equilibrio de la Presión y el Volumen

Imagina un globo bajo el agua. A medida que lo llevas a una profundidad mayor, el globo se hace más pequeño. ¿Por qué? Robert Boyle, en el siglo XVII, nos dio la respuesta con su ley. La Ley de Boyle establece que la presión y el volumen de un gas tienen una relación inversa cuando la temperatura se mantiene constante. Si aumentas la presión sobre el gas, su volumen disminuye. Si disminuyes la presión, el volumen aumenta. Esto explica por qué el globo se comprime bajo el agua; la presión del agua aumenta con la profundidad, lo que a su vez reduce el volumen del globo.

Ley de Charles: Volumen y Temperatura en Armonía

Ahora, imagina que tienes un globo en un día frío y luego entras a una habitación cálida. Verás que el globo se expande un poco. La Ley de Charles ilustra este fenómeno, mostrando que el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura (medida en Kelvin), asumiendo que la presión permanece constante. Si calientas el gas, las partículas se mueven más rápidamente y necesitan más espacio, por lo que el gas se expande.

Ley de Gay-Lussac: Presión y Temperatura Unidas

Si alguna vez has abierto una botella de refresco agitada, has sido testigo de la Ley de Gay-Lussac en acción. Esta ley dice que la presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura si el volumen se mantiene constante. Al agitar la botella, aumentas la temperatura del gas (dióxido de carbono) en su interior, lo que aumenta su presión y provoca una efusiva bienvenida de burbujas al abrir la botella.

Ejemplos Cotidianos

• Buceo y la Ley de Boyle: Los buzos deben ajustar constantemente la presión en sus tanques de aire a medida que cambian de profundidad para evitar el riesgo de enfermedad por descompresión, un peligroso resultado de no respetar la relación entre presión y volumen de los gases en su cuerpo.
• Globos de Aire Caliente y la Ley de Charles: El principio detrás de los globos de aire caliente es simple pero magnífico. Calentar el aire dentro del globo disminuye su densidad en comparación con el aire frío exterior, creando una fuerza ascendente que eleva el globo hacia el cielo.
• Neumáticos de Autos y la Ley de Gay-Lussac: La presión en los neumáticos de los autos aumenta en un día caluroso y disminuye en un día frío. Es crucial revisar y ajustar la presión regularmente para mantener una conducción segura y eficiente.

Avanzando en nuestra exploración del universo de la física, llegamos a la noción de un gas ideal. Este es un modelo teórico que nos permite entender cómo se comportan los gases bajo ciertas condiciones, asumiendo que las partículas de gas no interactúan entre sí excepto a través de colisiones elásticas (donde no hay pérdida de energía) y que ocupan un volumen insignificante. Aunque ningún gas es verdaderamente ideal, muchos se comportan de manera muy similar a este modelo bajo condiciones normales.

La Ecuación de los Gases Ideales

La ecuación de los gases ideales es una poderosa herramienta que relaciona cuatro variables críticas: presión (P), volumen (V), número de moles (n) de gas, y temperatura (T). La ecuación es PV = nRT, donde R es la constante de los gases ideales. Esta ecuación nos permite predecir cómo cambiará un gas ideal cuando ajustemos cualquiera de estas variables, proporcionando una base para experimentos, ingeniería y nuestra comprensión del comportamiento de los gases.

Calor: La Energía en Movimiento

El calor es la transferencia de energía térmica entre sistemas o hacia el interior de un sistema a una temperatura diferente, usualmente resultando en un cambio de temperatura o de fase del sistema. Es una forma de energía en tránsito, moviéndose siempre de áreas de mayor temperatura a áreas de menor temperatura hasta que se alcanza el equilibrio térmico.

Unidades de Medida del Calor
El calor se mide en varias unidades, siendo las más comunes las calorías y los julios. Una caloría (cal) es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua en 1°C. En el sistema internacional, el julio (J) es la unidad estándar de energía, incluyendo el calor. El equivalente de 1 caloría es aproximadamente 4.184 julios.

El Equivalente Mecánico del Calor
James Joule demostró que el calor y el trabajo mecánico son formas intercambiables de energía, estableciendo así el equivalente mecánico del calor. Esto significa que el trabajo mecánico realizado sobre un sistema puede convertirse en calor y viceversa, una idea revolucionaria que subyace a las leyes de la termodinámica.

Simulación de PhET Interactive Simulations, Universidad de Colorado Boulder, con licencia CC-BY-4.0 ( https://phet.colorado.edu ).

Calor Específico y Calor Latente: La Personalidad Térmica de la Materia
El calor específico es la cantidad de calor necesario para cambiar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en 1°C. Varía de una sustancia a otra y es crucial para entender cómo diferentes materiales responden al calor.
El calor latente, por otro lado, es la cantidad de calor absorbido o liberado por una sustancia durante un cambio de fase a temperatura constante. Este fenómeno explica, por ejemplo, por qué podemos enfriar nuestras bebidas con hielo; el hielo absorbe calor del líquido sin elevar su temperatura hasta que se derrite completamente.

Cambios de Fase: La Transformación de la Materia

Simulación de PhET Interactive Simulations, Universidad de Colorado Boulder, con licencia CC-BY-4.0 ( https://phet.colorado.edu ).

Los cambios de fase son transformaciones físicas entre estados de la materia (sólido, líquido, gas) que ocurren cuando se añade o se quita calor. Estos cambios incluyen la fusión (sólido a líquido), la vaporización (líquido a gas), la condensación (gas a líquido) y la solidificación (líquido a sólido), cada uno con su propio calor latente característico.

Ahora, adentrémonos en el mundo de la transferencia de calor, donde el calor se mueve de un lugar a otro de tres maneras principales: conducción, convección, y radiación. Cada método tiene su propio conjunto de reglas y aplicaciones, desempeñando un papel crucial en todo, desde la cocción de alimentos hasta el clima del planeta.

Conducción: El Tacto Caliente

La conducción es la transferencia de calor a través de un material sin movimiento apreciable de la materia. Imagina sostener una barra de metal con un extremo en una llama; pronto, el calor se transfiere a través del metal hasta tu mano, haciéndolo incómodamente caliente. Este proceso depende del contacto directo entre las moléculas, y su eficiencia varía enormemente entre diferentes materiales. Los metales, por ejemplo, son excelentes conductores del calor, mientras que la madera y el plástico, no tanto, lo cual los hace buenos aislantes.

Convección: El Movimiento Caliente

La convección ocurre en líquidos y gases y es el proceso de transferencia de calor por el movimiento de masas fluidas. Un buen ejemplo de convección es una olla de agua hirviendo. El agua cerca de la base se calienta, se expande, disminuye su densidad y sube, mientras que el agua más fría y densa desciende para calentarse, creando un ciclo. Este movimiento circular es lo que calienta uniformemente el agua en la olla. La convección es también una razón fundamental por la que el viento se mueve y por qué el clima de la Tierra es tan variado y dinámico.

Radiación: El Calor Invisible

Finalmente, la radiación es la transferencia de calor en forma de ondas electromagnéticas o rayos infrarrojos, que no requieren un medio material para viajar. Esto significa que el calor puede transferirse a través del vacío del espacio. El ejemplo más significativo de radiación es el calor del sol que llega a la Tierra, permitiendo la vida. Todos los objetos emiten algún nivel de radiación térmica, dependiendo de su temperatura; cuanto más caliente está el objeto, más energía irradia.

Ejemplos cotidianos

• Cocinando con Conducción: Cuando cocinas un filete en una sartén, estás utilizando la conducción para transferir calor del metal caliente a la comida.
• Sistemas de Calefacción por Convección: Los calefactores de ambiente a menudo utilizan convección para calentar el aire frío del suelo, que luego se eleva y circula por la habitación, calentándola de manera uniforme.
• Aislantes y Radiación: Los materiales reflectantes, como el papel de aluminio, son usados para aislar espacios o para proteger contra el calor radiante, reflejando la radiación térmica en lugar de absorberla.
• Efecto Invernadero y Radiación: La Tierra utiliza un proceso natural similar a la radiación para calentarse. Los gases en la atmósfera terrestre capturan el calor del sol, permitiendo que la Tierra se mantenga lo suficientemente caliente para sustentar la vida.

Entender la transferencia de calor es esencial no solo para los científicos y los ingenieros, sino también en nuestra vida cotidiana, permitiéndonos crear entornos más cómodos, cocinar de manera más eficiente, y simplemente comprender mejor el mundo que nos rodea.

Termodinámica

¿Qué es un Sistema Termodinámico?

Un sistema termodinámico se refiere a cualquier cantidad de materia o espacio, delimitado por una frontera, que se analiza para estudiar los cambios de energía. Esta frontera puede ser real, como las paredes de un cilindro en un motor, o imaginaria, definida para fines de análisis. Los sistemas termodinámicos se clasifican en:

• Sistemas abiertos: Pueden intercambiar tanto energía como materia con sus alrededores.
• Sistemas cerrados: Solo pueden intercambiar energía, no materia, con el entorno.
• Sistemas aislados: No intercambian ni energía ni materia con el exterior.

Estados y Procesos

El estado de un sistema termodinámico se define por sus propiedades, como la temperatura, presión, volumen, y composición, en un momento dado. Cuando al menos una de estas propiedades cambia, el sistema ha experimentado un proceso termodinámico. Estos procesos pueden ser isobáricos (a presión constante), isotérmicos (a temperatura constante), adiabáticos (sin transferencia de calor) y isocóricos (a volumen constante), entre otros.

Ley Cero de la Termodinámica

Simulación de PhET Interactive Simulations, Universidad de Colorado Boulder, con licencia CC-BY-4.0 ( https://phet.colorado.edu ).

La Ley Cero de la Termodinámica establece que si dos sistemas termodinámicos están cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces están en equilibrio térmico entre sí. Esta ley es la base para la medición de la temperatura y establece el concepto de equilibrio térmico.

Primera Ley de la Termodinámica

La Primera Ley de la Termodinámica, también conocida como la ley de conservación de la energía, afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, solo transformarse de una forma a otra. Esto significa que el cambio en la energía interna de un sistema es igual al calor transferido al sistema menos el trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores.

Gas expandiéndose

Considérese un gas confinado en un contenedor herméticamente sellado como el que se aprecia en el siguiente video:

Teniendo en cuenta que no existe transferencia de energía hacia el sistema y el émbolo se mueve hacia arriba, puede afirmarse que el gas realiza trabajo positivo (+W), en consideración que el émbolo se desplaza en la dirección hacia donde empuja el gas. Lo anterior implica que el sistema pierde energía interna como consecuencia del trabajo realizado y aumenta el volumen que ocupa el gas. (+ΔV).

De lo anterior se puede concluir que la diferencia entre la energía suministrada (Q) y el trabajo efectuado por el gas (W) es equivalente al cambio de la energía interna (ΔU):

Como Q=0, se tiene que:

Como puede apreciarse en la expresión anterior, el cambio de energía interna es negativa como consecuencia que la energía invertida en el trabajo efectuado por el gas, en otras palabras, el sistema experimenta un deficit energético.

Gas comprimiéndose

En la siguiente experiencia se conservan las condiciones iniciales del gas, pero en esta ocasión el émbolo se mueve en la dirección contraria y comprime al gas. Como consecuencia de lo anterior, se tiene que el trabajo realizado por el gas es negativo (-W), lo cual genera un incremento en la energía interna del sistema (+ΔU), en la presión (P), y disminuye el volumen que ocupa el gas.

De lo anterior se puede concluir que:

Donde Q=0, por lo tanto:

Trabajo efectuado por un gas

Dado un diagrama (P vs V) es posible calcular el trabajo efectuado por el gas encontrando el área bajo la curva. Vease el siguiente diagrama:

El área de color verde representa el trabajo efectuado y este puede ser mayor cuando el área es mayor. En el siguiente grafico se aprecia que el área bajo la curva en "I" es mayor que en "II" y en "III", por consiguiente el trabajo efectuado es mayor.

Proceso isotérmico

Un sistema experimenta un proceso isotérmico cuando la temperatura se mantiene constante. En el siguiente video se aprecia un gas confinado en un recipiente herméticamente sellado, el cual gana calor a través del lanza llamas que dispara Mangüirry. Nótese que a medida que el sistema gana calor, el gas realiza trabajo positivo desplazando el émbolo hacia arriba, lo cual implica que la energía que ingresa al sistema es invertida en el trabajo efectuado por el gas, ocasionando que el energía interna del sistema se mantenga constante o que ΔU=0.

En consecuencia a lo anterior, puede afirmarse que la energía suministrada al sistema es equivalente al trabajo efectuado por el gas.

En el siguiente diagrama se aprecia un proceso isotérmico:

Proceso isobárico

Un sistema experimenta un proceso isobárico cuando la presión se mantiene constante. En el siguiente video se aprecia un gas confinado en un recipiente herméticamente sellado, el cual gana calor a través del lanza llamas que dispara Mangüirry. En este caso la temperatura y la energía interna del sistema aumentan, mientras el volumen que ocupa el gas también lo hace. Como resultado puede concluirse que la energía suministrada al sistema es equivalente a sumar el cambio de la energía interna y el trabajo efectuado por el gas.

En conclusión:

En el siguiente diagrama se aprecia un proceso isobárico:

Proceso isovolumétrico

Un sistema experimenta un proceso isovolumétrico cuando el volumen se mantiene constante. En el siguiente video se aprecia un gas confinado en un recipiente hermeticamete sellado, el cual recibe calor mediante el lanza llamas que dispara Mangüirry. Como puede apreciarse, el trabajo realizado por el gas es cero, en consecuencia que el émbolo se mantiene inmóvil y por ende el calor suministrado produce un incremento en la energía interna del sistema.

De lo anterior puede concluirse que la energía suministrada al sistema es equivalente a ΔU

En el siguiente diagrama se aprecia un proceso isovolumétrico:

Proceso adiabático

Un sistema experimenta un proceso adiabático cuando está completamente aislado, es decir, no recibe y tampoco transfiere calor al ambiente. La condición de este sistema genera que pierda energía interna cuando el gas realiza trabajo, y por ende, la temperatura y la presión disminuyen, y el volumen aumenta.

En conclusión:

En el siguiente diagrama se aprecia un proceso adiabático:

Actividad N° 8

1. Un equipo de físicos realiza un experimento para estudiar el comportamiento de un gas ideal. Durante el experimento, el gas se calienta en un recipiente cerrado equipado con un pistón móvil que permite variar el volumen del gas manteniendo constante la presión externa. Uno de los físicos construye la siguiente gráfica para identificar el trabajo y proceso que experimanta el gas:

Determine:
a. ¿Cuál es el proceso que experimenta el gas? Argumente su respuesta.
b. ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas al expandirse?

2.Dada la siguiente gráfica:

Determine:
a. ¿Cuál es el proceso que experimenta el gas? Argumente su respuesta.
b. ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas?

Segunda Ley de la Termodinámica

La Segunda Ley de la Termodinámica introduce el concepto de entropía, una medida del desorden o la aleatoriedad en un sistema. Esta ley establece que en cualquier proceso espontáneo, la entropía total de un sistema aislado (o del universo) no disminuirá. En otras palabras, los procesos naturales tienden a moverse hacia un estado de mayor desorden o entropía.

Tercera Ley de la Termodinámica

La Tercera Ley de la Termodinámica afirma que a medida que la temperatura se acerca al cero absoluto (-273.15°C o 0 Kelvin), la entropía de un sistema perfectamente cristalino (donde las partículas están en orden completo) se acerca a un valor constante mínimo. Esto implica que es imposible alcanzar el cero absoluto en un número finito de procesos físicos.