Notas de termodinámica | Todos sus conceptos importantes y 3 leyes.

Notas de termodinámica

Termodinámica: La rama de la física y la ciencia que se ocupa de la correlación entre el calor y otras formas de energía que se pueden transferir de una forma y lugar a otro se puede definir como termodinámica. Ciertos términos que debe conocer al examinar la termodinámica se pueden comprender mejor si sigue el término.

Calor

El calor es una forma de energía, la transferencia de energía de un cuerpo a otro ocurre debido a la diferencia de temperatura y la energía calorífica fluye de un cuerpo caliente a un cuerpo frío, para convertirlo en equilibrio térmico y juega un papel muy crítico en el principio de termodinámica.

Trabajo

Una fuerza externa aplicada en la dirección del desplazamiento que permite que el objeto se mueva una distancia particular sufre una cierta transferencia de energía que puede definirse como trabajo en los libros de física o ciencia. En términos matemáticos, el trabajo se puede describir como la fuerza aplicada multiplicada por la distancia recorrida. Si el desplazamiento está involucrado en un ángulo Θ cuando se ejerce la fuerza, entonces la ecuación puede ser:

W = fs

W = fscosӨ

Dónde,

 f = fuerza aplicada

s = distancia recorrida

Ө = ángulo de desplazamiento

La termodinámica es un aspecto muy vital de nuestra vida diaria. Siguen un conjunto de leyes que deben cumplir cuando se aplican en términos de física.

Leyes de termodinámica.

El Universo, aunque está definido por muchas leyes, solo unas pocas son poderosas. Las leyes de la termodinámica como disciplina se formularon y abrieron caminos a muchos otros fenómenos que van desde los refrigeradores hasta la química y mucho más allá de los procesos de la vida.

Las cuatro leyes básicas de la termodinámica consideran hechos empíricos e interpretan cantidades físicas, como temperatura, calor, trabajo termodinámico y entropía, que definen las operaciones y sistemas termodinámicos en equilibrio termodinámico. Explican los vínculos entre estas cantidades. Además de su aplicación en termodinámica, las leyes tienen aplicaciones integradoras en otras ramas de la ciencia. En termodinámica, un 'Sistema' puede ser un bloque de metal o un recipiente con agua, o incluso nuestro cuerpo humano, y todo lo demás se llama 'Entorno'.

El ceroth ley de la termodinámica obedece a la propiedad transitiva de las matemáticas básicas de que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un 3rd sistema, entonces estos también están en estado de equilibrio térmico entre sí.

Los conceptos básicos que deben cubrirse para comprender las leyes de la termodinámica son sistema y entorno.

Sistema y entorno

La colección de un conjunto particular de elementos que definimos o incluimos (algo tan pequeño como un átomo a algo tan grande como el sistema solar) se puede llamar un sistema, mientras que todo lo que no cae bajo el sistema se puede considerar como el entorno y estos dos conceptos están separados por un límite.

Por ejemplo, el café en un matraz se considera un sistema y un entorno con un límite.

Esencialmente, un sistema consta de tres tipos, a saber, abierto, cerrado y aislado.

nota de termodinámica
Figura: Sistema y entorno en termodinámica

Ecuaciones termodinámicas

Las ecuaciones formadas en termodinámica son una representación matemática del principio termodinámico sometido a trabajo mecánico en forma de expresiones ecuacionales.

Las diversas ecuaciones que se forman en las leyes y funciones termodinámicas son las siguientes:

● ΔU = q + w (primera ley de TD)

● ΔU = Uf - Ui (energía interna)

● q = m Cs ΔT (calor / g)

● w = -PextΔV (trabajo)

● H = U + PV

ΔH = ΔU + PΔV

ΔU = ΔH - PΔV

ΔU = ΔH - ΔnRT (entalpía a energía interna)

● S = k ln Ω (segunda ley en la fórmula de Boltzman)

● ΔSrxn ° = ΣnS ° (productos) - ΣnS ° (reactivos) (tercera ley)

● ΔG = ΔH - TΔS (energía libre)

Primera ley de la termodinámica.

Las 1 Característicasst La ley de la termodinámica elabora que cuando la energía (como trabajo, calor o materia) entra o sale de un sistema, la energía interna del sistema cambiará de acuerdo con la ley de conservación de la energía (lo que significa que la energía no se puede crear ni destruir y sólo se puede transferir o convertir de una forma a otra), es decir, máquina de movimiento perpetuo del 1st tipo (una máquina que realmente funciona sin energía i / p) son inalcanzables.

Por ejemplo, encender una bombilla es una ley según la cual la energía eléctrica se convierte en energía luminosa que realmente ilumina y una parte se perderá como energía térmica.

 ΔU = q + w

  • ΔU es el cambio total de energía interna de un sistema.
  • q es la transferencia de calor entre un sistema y su entorno.
  • w es el trabajo realizado por el sistema.
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Notas de termodinámica: Primera ley de la termodinámica

Segunda ley de la termodinámica.

La segunda ley de la termodinámica define una propiedad importante de un sistema llamada entropía. La entropía del universo siempre está aumentando y se representa matemáticamente como ΔSuniv> 0 donde ΔSuniv es el cambio en la entropía del universo.

Entropía

La entropía es la medida de la aleatoriedad del sistema o es la medida de energía o caos en un sistema aislado, esto se puede contemplar como un índice cuantitativo que describía la clasificación de la energía.

La segunda ley también da el límite superior de eficiencia de los sistemas y la dirección del proceso. Es un concepto básico que el calor no fluye de un objeto de menor temperatura a un objeto de mayor temperatura. Para que eso suceda, se debe proporcionar al sistema una entrada de trabajo externa. Ésta es una explicación de uno de los fundamentos de la segunda ley de la termodinámica llamado "declaración de Clausius de la segunda ley". Afirma que “es imposible transferir calor en un proceso cíclico de baja temperatura a alta temperatura sin trabajo de una fuente externa”.

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Figura: Segunda ley de la termodinámica Fuente de la imagen: NASA

 Un ejemplo real de esta afirmación son los refrigeradores y las bombas de calor. También se sabe que una máquina que no puede convertir toda la energía suministrada a un sistema no puede convertirse para trabajar con una eficiencia del 100 por ciento. Esto luego nos lleva a la siguiente declaración denominada "declaración de Kelvin-Planck de la segunda ley". La afirmación es la siguiente: “Es imposible construir un dispositivo (motor) que funcione en un ciclo que no produzca otro efecto que la extracción de calor de un solo depósito y convertirlo todo en trabajo”.

Matemáticamente, el enunciado de Kelvin-Planck se puede escribir como: Wciclo ≤ 0 (para un solo depósito) Una máquina que puede producir trabajo continuamente tomando calor de un solo depósito de calor y convirtiéndolo todo en trabajo se denomina máquina de movimiento perpetuo de el segundo tipo. Esta máquina viola directamente la declaración de Kelvin-Planck. Entonces, para ponerlo en términos simples, para que un sistema produzca para trabajar en un ciclo, tiene que interactuar con dos depósitos térmicos a diferentes temperaturas.

Por lo tanto, en términos simples, la segunda ley de la termodinámica elabora, cuando la conversión de energía ocurre de un estado a otro, la entropía no disminuye sino que siempre aumenta independientemente dentro de un sistema cerrado.

Tercera ley de termodinámica.

En términos sencillos, la tercera ley establece que la entropía de un objeto se acerca a cero cuando la temperatura absoluta se acerca a cero (0K). Esta ley ayuda a encontrar un punto de credencial absoluto para obtener la entropía. Los 3rd La ley de la termodinámica tiene 2 características significativas como sigue.

El signo de la entropía de cualquier sustancia en particular a cualquier temperatura por encima de 0K se reconoce como signo positivo y proporciona un punto de referencia fijo para identificar la entropía absoluta de cualquier sustancia específica a cualquier temperatura.

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Figura: Diagrama de TS Fuente de la imagen: Wikipedia comunes

Diferentes medidas de energía

ENERGÍA

La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. Es una cantidad escalar. Se mide en KJ en unidades SI y Kcal en unidades MKS. La energía puede tener muchas formas.

FORMAS DE ENERGIA:

 La energía puede existir en numerosas formas, como

  • 1. Energía interna
  • 2. Energía térmica
  • 3. Energía eléctrica
  • 4. Energía mecánica
  • 5. Energía cinética
  • 6. Energía potencial
  • 7. Energía eólica y
  • 8. Energía nuclear

Esta categorizado además en

(a) Energía almacenada y (b) Energía de tránsito.

Energía almacenada

La forma de energía almacenada puede ser de los dos tipos siguientes.

  • Formas macroscópicas de energía: Energía potencial y energía cinética.
  • Formas microscópicas de energía: Energía interna.

Energía de tránsito

La energía de tránsito significa energía en transición, básicamente representada por la energía que posee un sistema que es capaz de traspasar fronteras.

Calor:

 Es una forma de transferencia de energía que fluye entre dos sistemas bajo la diferencia de temperatura entre ellos.

(a) Caloría (cal) Es el calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de H2O en 1 grado C

(b) Unidad térmica británica (BTU) Es el calor necesario para elevar la temperatura de 1 libra de H2O en 1 grado F

Trabajo:

Una interacción de energía entre un sistema y su entorno durante un proceso se puede considerar como transferencia de trabajo.

Entalpía:

Entalpía (H) definida como la suma de las energías internas del sistema y el producto de su presión y volumen y la entalpía es una función de estado utilizada en el campo de los sistemas físicos, mecánicos y químicos a presión constante, representada en Joules (J) en SI unidades.

Relación entre las unidades de medida de energía (con respecto a Joules, J)

UnidadEquivalente a
1eV1.1602 x 10-19 J
1 cal4.184 J
1 BTU1.055 kJ
1 W1 J / seg

Tabla: tabla de relaciones 

Relaciones de Maxwell

Las cuatro relaciones de Maxwell más tradicionales son las igualdades de las segundas derivadas de cada una de las cuatro perspectivas termodinámicas, con respecto a sus variables mecánicas como Presión (P) y Volumen (V) más sus variables térmicas como Temperatura (T) y Entropía ( S).

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Ecuación: relaciones comunes de Maxwell

Conclusión

Este artículo sobre termodinámica le da una idea de las leyes fundamentales, definiciones, relaciones de ecuaciones y sus pocas aplicaciones, aunque el contenido es breve, se puede utilizar para cuantificar muchas incógnitas. La termodinámica encuentra su uso en varios campos, ya que algunas cantidades son más fáciles de medir que otras, aunque este tema es profundo en sí mismo. termodinámica es fundamental, y sus fascinantes fenómenos nos da una comprensión profunda del papel de la energía en este universo

Algunas cuestiones relacionadas con el campo de la termodinámica

¿Cuáles son las aplicaciones de la termodinámica en ingeniería?

Hay varias aplicaciones de la termodinámica en nuestra vida diaria, así como en el ámbito de la ingeniería. Las leyes de la termodinámica se utilizan intrínsecamente en el automóvil y el sector aeronáutico de la ingeniería, como en los motores de circuito integrado y las turbinas de gas en los respectivos departamentos. También se aplica en motores térmicos, bombas de calor, refrigeradores, centrales eléctricas, aire acondicionado y más siguiendo los principios de la termodinámica.

¿Por qué es importante la termodinámica?

Hay varias contribuciones de la termodinámica en nuestra vida diaria, así como en el sector de la ingeniería. Los procesos que ocurren naturalmente en nuestra vida diaria caen bajo la guía de las leyes termodinámicas. Los conceptos de transferencia de calor y los sistemas térmicos en el medio ambiente se explican por el fundamental termodinámico, por lo que el tema es muy importante para nosotros.

¿Cuánto tiempo tarda una botella de agua en congelarse a una temperatura de 32F?

 En términos de una solución conceptual a la pregunta dada, la cantidad de tiempo necesario para congelar una botella de agua a una temperatura de 32 ° F dependerá del punto de nucleación del agua que se puede definir como el punto donde las moléculas en el líquido se juntan para convertirse en una estructura cristalina de sólido donde el agua pura se congela a -39C.

Otros factores a considerar son el calor latente de fusión del agua, que es la cantidad de energía requerida para cambiar su estado, esencialmente de líquido a sólido o de sólido a líquido. El calor latente del agua a 0 ° C para la fusión es de 334 julios por gramo.

¿Qué es la relación de corte y cómo afecta la eficiencia térmica de un motor diesel?

La relación de corte es inversamente proporcional al ciclo diesel ya que hay un aumento en la eficiencia de la relación de corte, hay una disminución o reducción en la eficiencia de un motor diesel. La relación de corte se basa en su ecuación donde la correspondencia del volumen del cilindro antes y después de la combustión es proporcional entre sí.

Es como sigue:

 
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 Ecuación 1: Relación de corte

¿Qué es un estado estable en termodinámica?

El estado actual de un sistema que contiene un flujo a través del tiempo y las variables de ese proceso en particular permanece constante, entonces ese estado puede definirse como un sistema de estado estacionario en el tema de la termodinámica.

¿Cuáles son los ejemplos de límite fijo y límite móvil en el caso de la termodinámica?

Un límite móvil o en otros términos, la masa de control es una cierta clase de sistema donde la materia no puede moverse a través del límite del sistema, mientras que el límite mismo actúa como un carácter flexible que puede expandirse o contraerse sin permitir que ninguna masa fluya hacia adentro o hacia afuera. eso. Un ejemplo simple de un sistema de límites móviles en termodinámica básica sería un pistón en un motor de CI donde el límite se expande a medida que el pistón se desplaza mientras que la masa del gas en el cilindro permanece constante, lo que permite realizar el trabajo.

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Figura: Movimiento del pistón

Mientras que en el caso de un límite fijo, no se permite el trabajo ya que mantienen el volumen constante mientras se permite que la masa fluya hacia adentro y hacia afuera libremente en el sistema. También se le puede llamar proceso de control de volumen. Ejemplo: gas que sale de un cilindro doméstico conectado a una estufa mientras el volumen es fijo.

 ¿Cuáles son las similitudes y diferencias del calor y el trabajo en termodinámica?

Semejanzas

  • ● Ambas energías se consideran funciones de trayectoria o cantidades de proceso.
  • ● También son diferenciales inexactos.
  • ● Ambas formas de energía no se almacenan y pueden transferirse dentro y fuera del sistema siguiendo el fenómeno transitorio.

Disimilitudes:

  • ● El flujo de calor en un sistema siempre está asociado con la función de entropía, mientras que no hay transferencia de entropía junto con el sistema de trabajo.
  • ● El calor no se puede convertir al cien por cien en trabajo, mientras que el trabajo se puede convertir en calor al cien por cien.
  • ● El calor se considera un significado de energía de bajo grado, es fácil convertir el calor en otras formas mientras que el trabajo es energía de alto grado.


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Sobre Shakthivel Bhaskar

Notas de termodinámica | Todos sus conceptos importantes y 3 leyes.Mi nombre es Shakthivel Bhaskar, alguien que ha sido apasionado por la mecánica de las cosas que usamos en la vida cotidiana desde que me regalaron juguetes fascinantes cuando era un niño pequeño. Esta pasión ayuda a mi amor por la ingeniería mecánica, lo que me llevó a completar mi maestría en dicho campo. He trabajado en dos proyectos organizados por SAE, India y FS, Reino Unido. Mi escape de la realidad sería mi pasión alternativa, el fútbol que me ayuda a concentrarme en mi trabajo cuando le dedico un poco de tiempo.

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