practica 10 de termodinamica, Apuntes de Termodinámica

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Universidad Politécnica de San Luis Potosí

Practica 10:

El calor y el trabajo

Josué Aarón Espinosa Hernández

Laboratorio de Termodinámica

22 de Abril de 2021

NOMBRE DE LOS INTEGRANTES: MATRICULA:

Espinosa Hernández Josué Aarón 172023

EQUIPO: Elegir equipo LABORATORIO: Elegir Lab

FECHA: 23/04/2021 HORARIO: 12:00 PM - 2:

PM

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA

PRÁCTICA No. 10

EL CALOR Y EL TRABAJO

OBJETIVO ESPECÍFICO.

Encontrar la energía interna sobre un gas en un proceso determinado.

INTRODUCCIÓN.

Se ha observado que una característica fundamental del intercambio de calor entre un medio y

los alrededores es la posibilidad de obtener trabajo; con esta idea se construyó la primera

máquina de vapor, pero como su eficiencia era muy baja, hubo necesidad de desarrollar ideas

nuevas que ayudaran a aumentar la eficiencia de estas máquinas y se generó la Termodinámica

como ciencia.

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PREGUNTAS DE INDAGACIÓN.

Investigue:

1. ¿Cómo determinar el trabajo mecánico?

Se calcula multiplicando la magnitud de la componente de la fuerza actuante en la misma

dirección en que se efectúa el movimiento del objeto, por lo magnitud del desplazamiento

que éste realiza

El trabajo es una transferencia de energía, es decir, es un paso de energía de un sitio a

otro, no es algo que se tiene o se almacena.

El trabajo se localiza en la frontera del sistema, es una entrada o salida por las paredes

del sistema, y no se refiere al interior de éste.

2. Energía interna:

La magnitud que designa la energía almacenada por un sistema de partículas se

denomina energía interna (U). La energía interna es el resultado de la contribución de la

energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energías de

realización de un trabajo, dado por la expresión anterior.

Proceso isotermo

En un proceso cuasiestático a temperatura constante, varían tanto la presión como el

volumen. Si el gas se expande su presión se reduce y si se comprime aumenta,

cumpliéndose la ley de Boyle

Gráficamente esto corresponde a que el proceso se representa por un arco de hipérbola.

El trabajo en este proceso será el área bajo la hipérbola, que se obtiene integrando

Si lo que conocemos es la presión y el volumen iniciales (o los finales) del gas, este

trabajo puede escribirse

Si el volumen final es mayor que el inicial, el cociente es mayor que la unidad y el

logaritmo es positivo, resultando un trabajo negativo. A la inversa si el volumen final es

menor que el inicial.

Empleando de nuevo la ley de Boyle podemos escribir el resultado en términos de la

relación entre presiones

Proceso politrópico

Un proceso politrópico es un tipo general de procesos caracterizado por la relación

siendo k un cierto exponente real. Entre los casos particulares de procesos politrópicos

tenemos

k = 0 es uno a presión constante.

k = 1 es un proceso isotermo

k = γ donde γ = cp / cv, como se ve al estudiar la relación entre calor y trabajo, esta es la

ley que gobierna los procesos adiabáticos cuasiestáticos. Como caso particular

importante, para el aire γ = 1.

es un proceso a volumen constante.

El trabajo en un proceso politrópico viene dado por la integral correspondiente

Salvo en el caso k = 1, que corresponde al proceso isotermo del apartado anterior, el

resultado de esta integral se deduce de la ley general

Desarrollando y aplicando de nuevo la relación que define el proceso queda

En términos de las temperaturas inicial y final queda, aplicando la ley de los gases ideales

Podemos ver que si el resultado se reduce al que ya conocemos

mientras que si este trabajo se anula, como corresponde a un proceso isócoro

Puede resultar llamativo el aparente cambio de signo dependiendo de cuanto vale k.

Si k < 1 el denominador es negativo y si k > 1 es positivo. Parecería entonces que en

una compresión podríamos tener trabajos negativos o positivos dependiendo del valor

de k. No es así. En un proceso politrópico con k < 1 (por ejemplo, una compresión

isóbara) la temperatura desciende al reducir el volumen,

mientras que si k > 1 (por ejemplo, un proceso adiabático, con k = 1.4) la temperatura

aumenta al reducir el volumen. En ambos casos resulta un trabajo positivo sobre el gas

REFERENCIAS

Primer Principio de la Termodinámica. Trabajo. (s. f.). Montes. Recuperado 22 de abril

de 2021, de http://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo1p/trabajo.html

Trabajo en termodinámica (GIE). (s. f.). Laplace. Recuperado 22 de abril de 2021, de

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Trabajo_en_termodin%C3%A1mica_(GIE)

BIBLIOGRAFÍA.

Termodinámica, Jiménez Bernal José Alfredo, Gutiérrez Torres Claudia del Carmen, Barbosa

Saldaña Juan Gabriel, Primera Edición (2009)

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Y algunas de las medidas que se nos proporcionan de la maquina térmica, del cilindro y de las

mangueras que nos van a ayudar en los cálculos posteriores se muestran en las siguientes

capturas de pantalla:

Enseguida se arma el sistema colocando el recipiente de aluminio en un recipiente con agua y

el embolo con una altura determinada y así obtenemos las condiciones iniciales del experimento

que son de la siguiente manera:

Condiciones iniciales:

Altura (m) Presión (kPa) Temperatura (°C)

Capturas de pantalla de las condiciones iniciales:

Después se colocan los hielos en el recipiente con agua lo cual provoca una disminución en la

temperatura del gas lo que provoca que el embolo empiece a cambiar y así es como llegamos

a nuestras condiciones finales del experimento.

Condiciones finales:

Altura (m) Presión (kPa) Temperatura (°C)

Captura de pantalla de las condiciones finales del experimento:

Análisis del proceso:

Durante el proceso se mantuvo constante la presión lo que significa que es un proceso isobárico

por lo que utilizaremos las siguientes ecuaciones para su análisis.

𝑄 = 𝑚𝑐ΔT

𝑓

− 4

3

− 5

3

− 5

3

− 5

3

− 4

3

Ahora con el volumen inicial y la densidad del aire calculamos la masa:

3

3

− 4

Calculamos el trabajo (W)

3

3

− 3

Calculamos el calor (Q)

𝑄 =

(

1. 000326 𝑘𝑔

) ( 1012

𝐽

𝑘𝑔

°𝐶)

( 8 .44°𝐶 − 21 .69°𝐶

) = − 4. 3713 𝐽

Aplicamos la primera ley de la termodinámica para calcular la energía interna:

El signo negativo indica que hay una pérdida de energía

IV. RESULTADOS

Trabajo (J) Calor (J) Cambio de energía interna (J)

V. CONCLUSION

Redacta una conclusión para cada cuestión planteada en los problemas.

Después de realizar la practica observamos que efectivamente hay una disminución en la

energía interna, por lo que la hipótesis planteada al inicio es correcta y el grupo de alumnos que

afirmo que existiría una disminución de energía tiene la razón, esto se debió que la primera ley

de la termodinámica determina que la energía interna de un sistema aumenta cuando se le

transfiere calor o se realiza un trabajo sobre él, y al hacer lo contrario, que es enfriar el gas,

causara una disminución en la energía interna del sistema analizado.