Termodinamica
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La termodinámica estudia las relaciones entre calor, trabajo y energía en los sistemas físicos. Estos conocimientos son esenciales para el módulo de Ingeniería del EXANI-II del CENEVAL.
A continuación se presentan los conceptos clave: las leyes de la termodinámica, los procesos termodinámicos, la entropía y los ciclos de potencia.
Estado termodinámico: Condición definida por variables como presión (P), volumen (V), temperatura (T) y entropía (S).
Proceso termodinámico: Cambio de un estado de equilibrio a otro. Los procesos ideales incluyen: isotérmico (T constante), isobárico (P constante), isocórico (V constante) y adiabático (sin intercambio de calor).
Energía interna (U): Energía total almacenada en un sistema a nivel molecular. Para un gas ideal: ΔU = n·Cv·ΔT.
Primera ley: La energía se conserva: ΔU = Q − W, donde Q es el calor absorbido y W es el trabajo realizado por el sistema. Es el principio de conservación de la energía aplicado a procesos térmicos.
Segunda ley: Es imposible construir una máquina térmica que convierta todo el calor en trabajo (enunciado de Kelvin-Planck). El calor no fluye espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente (enunciado de Clausius). La entropía del universo siempre aumenta en procesos irreversibles.
Tercera ley: Es imposible alcanzar el cero absoluto (0 K) mediante un número finito de procesos. La entropía de un cristal perfecto a 0 K es cero.
En procesos irreversibles: ΔS_universo > 0. La entropía total del universo siempre aumenta, lo que establece la dirección natural de los procesos.
Para un gas ideal en un proceso: ΔS = n·Cv·ln(T₂/T₁) + n·R·ln(V₂/V₁).
Eficiencia de Carnot: η = 1 − T_L/T_H, donde T_L es la temperatura de la fuente fría y T_H la de la fuente caliente (ambas en Kelvin). Ninguna máquina real puede superar esta eficiencia.
Proceso isotérmico (gas ideal): W = n·R·T·ln(V₂/V₁).
Proceso adiabático: W = (P₁V₁ − P₂V₂)/(γ − 1), donde γ = Cp/Cv.
Proceso isocórico: W = 0, ya que no hay cambio de volumen.
Te deseamos mucho éxito en tu Preparación EXANI-II.
A continuación se presentan los conceptos clave: las leyes de la termodinámica, los procesos termodinámicos, la entropía y los ciclos de potencia.
Conceptos fundamentales
Sistema termodinámico: Porción del universo que se aísla para su estudio. Puede ser abierto (intercambia masa y energía), cerrado (solo energía) o aislado (ninguno).Estado termodinámico: Condición definida por variables como presión (P), volumen (V), temperatura (T) y entropía (S).
Proceso termodinámico: Cambio de un estado de equilibrio a otro. Los procesos ideales incluyen: isotérmico (T constante), isobárico (P constante), isocórico (V constante) y adiabático (sin intercambio de calor).
Energía interna (U): Energía total almacenada en un sistema a nivel molecular. Para un gas ideal: ΔU = n·Cv·ΔT.
Leyes de la termodinámica
Ley cero: Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí. Fundamenta la medición de temperatura.Primera ley: La energía se conserva: ΔU = Q − W, donde Q es el calor absorbido y W es el trabajo realizado por el sistema. Es el principio de conservación de la energía aplicado a procesos térmicos.
Segunda ley: Es imposible construir una máquina térmica que convierta todo el calor en trabajo (enunciado de Kelvin-Planck). El calor no fluye espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente (enunciado de Clausius). La entropía del universo siempre aumenta en procesos irreversibles.
Tercera ley: Es imposible alcanzar el cero absoluto (0 K) mediante un número finito de procesos. La entropía de un cristal perfecto a 0 K es cero.
Entropía
La entropía (S) es una medida del desorden o de la energía no disponible para realizar trabajo. Para un proceso reversible: dS = δQ/T.En procesos irreversibles: ΔS_universo > 0. La entropía total del universo siempre aumenta, lo que establece la dirección natural de los procesos.
Para un gas ideal en un proceso: ΔS = n·Cv·ln(T₂/T₁) + n·R·ln(V₂/V₁).
Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot es el ciclo termodinámico de máxima eficiencia posible entre dos fuentes de temperatura. Consta de cuatro procesos reversibles:Eficiencia de Carnot: η = 1 − T_L/T_H, donde T_L es la temperatura de la fuente fría y T_H la de la fuente caliente (ambas en Kelvin). Ninguna máquina real puede superar esta eficiencia.
Trabajo en procesos termodinámicos
Proceso isobárico: W = P·ΔV.Proceso isotérmico (gas ideal): W = n·R·T·ln(V₂/V₁).
Proceso adiabático: W = (P₁V₁ − P₂V₂)/(γ − 1), donde γ = Cp/Cv.
Proceso isocórico: W = 0, ya que no hay cambio de volumen.
Cierre
La termodinámica proporciona las herramientas para analizar la conversión de energía en sistemas de ingeniería. Dominar las leyes, los procesos y los ciclos termodinámicos te permitirá resolver problemas de eficiencia energética y diseño de máquinas térmicas con seguridad.Te deseamos mucho éxito en tu Preparación EXANI-II.